Опубликован: 26.05.2010 | Доступ: свободный | Студентов: 1593 / 256 | Оценка: 4.42 / 4.25 | Длительность: 56:51:00
ISBN: 978-5-9963-0124-9
Специальности: Разработчик аппаратуры
Лекция 5:

Физические основы работы акустических сенсоров. Приемники акустических сигналов. Некоторые интеллектуальные акустические сенсоры

< Лекция 4 || Лекция 5: 12345 || Лекция 6 >
Аннотация: Даются минимально необходимые для понимания раздела сведения из физической акустики. Описаны основные виды приемников акустических сигналов и примеры интеллектуальных акустических сенсоров: диктофоны, звукоанализаторы, беспроводная гарнитура, гидроакустический телефон и другие.

Цель лекции: напомнить слушателям необходимые для понимания раздела сведения из физической акустики, в частности, основные формулы для расчета доплеровского сдвига частоты акустических волн при движении их излучателя и приемника. Объяснить принципы функционирования микрофонов, гидрофонов, стетоскопов, поверхностных микрофонов, роль микросистемных технологий в их усовершенствовании, указать области их применения. Привести показательные примеры интеллектуальных акустических сенсоров, показать их роль в современной жизни.

5.1. Физические основы работы акустических сенсоров

В акустических сенсорах первичные информационные сигналы являются акустическими. Это, например, звуки живой речи, музыка, пение птиц, сигналы эхолокации дельфинов или акустические сигналы в ультразвуковой диагностике, поверхностные акустические волны и т.п.

Напомним, что акустические волны – это колебания давления, распространяющиеся в воздухе (газах), жидкости или в твердой среде. Известно, что акустические волны распространяются значительно медленнее, чем радиоволны: в воздухе, например, со скоростью около 340 м/с, в воде – около 1,5 км/с, в твердых телах – 3-6 км/с. И это имеет свои положительные стороны.

По частоте колебаний акустические волны подразделяют на:

  • инфразвуки (частота меньше 16 Гц);
  • звуки (диапазон частот от 16 Гц до 20 кГц), которые воспринимает человеческое ухо;
  • ультразвуки (от 20 кГц до 1 ГГц);
  • гиперзвуки (свыше 1 ГГц, вплоть до 1013 Гц).

Инфразвуки в воде (напр., в морях и океанах) могут распространяться на сотни километров. Воспринимая их, обитатели моря заранее "слышат" приближение шторма. Гиперзвуки и ультразвуки сильно рассеиваются, поглощаются и поэтому затухают гораздо быстрее.

Ультразвуковые волны по частоте обычно делят на три диапазона:

  • низкочастотный (16–100 кГц, длина волны в воздухе 3-20 мм, в воде 15-90 мм);
  • средних частот (0,1-10 МГц, длина волны в воздухе 0,034–3,4 мм, в воде 0,15-15 мм);
  • высокочастотный (10–1000 МГц, длина волны в воздухе 0,34-34 мкм, в воде 1,5–150 мкм).

Акустические волны естественного происхождения, как правило, являются сложными, несут с собой колебания разных частот. Их частотный состав обычно характеризуют частотно-амплитудным спектром – зависимостью интенсивности или амплитуды колебаний от частоты. Музыкальные звуки имеют в основном дискретный спектр, другие – непрерывный спектр. Звуковые шумы имеют очень широкий непрерывный спектр частот.

Интенсивность акустических, как и всех других видов волн характеризуют средней энергией, переносимой ими за единицу времени через единицу площади, перпендикулярной к направлению распространения, и измеряют в Вт/м2. Специфической характеристикой интенсивности акустических волн является амплитуда колебаний давления (Па). В области звуков, которые слышит человек, используют и логарифмическую меру громкости звука – так называемый " уровень звукового давления ". Его выражают в децибелах (дБ) и вычисляют по формуле

N=20\lg (p/p_0), ( 5.1)
где p – амплитуда колебаний давления в паскалях, а p_0 = 2\times 10^{–5} Па – это так называемый "порог слышимости", т.е. минимальная амплитуда звуковых колебаний, которые способно услышать человеческое ухо.

При свободном распространении в однородной среде без поглощения и рассеяния интенсивность акустических волн уменьшается пропорционально квадрату расстояния от источника. В реальных средах имеют место поглощение, а также рассеяние акустических волн на неоднородностях, из-за чего интенсивность их с расстоянием убывает быстрее.

В акустических сенсорах часто используют эффект Доплера – изменение частоты колебаний, которые воспринимает наблюдатель, при движении источника волн или наблюдателя относительно друг друга или относительно той среды, в которой распространяются волны. Если наблюдатель неподвижен относительно среды распространения, а источник акустических волн приближается к наблюдателю со скоростью v, то частота колебаний, которые воспринимает наблюдатель, определяется формулой

f=f_0(1+v/v_{\textit{ак}}), ( 5.2)
где f_0 – частота колебаний в источнике акустических волн, v_{\textit{ак}} – скорость распространения акустических волн в среде. Воспринимаемая нами частота акустических волн от источника, который к нам приближается, выше, а от источника, который от нас удаляется – ниже. По величине частотного сдвига можно определить скорость движения источника акустических волн относительно наблюдателя.

Если, наоборот, источник акустических волн неподвижен относительно среды распространения, а наблюдатель приближается к источнику со скоростью v, то частота колебаний, воспринимаемых наблюдателем, определяется по формуле

f=f_0(1+v/v_{\textit{ак}}). ( 5.3)

Воспринимаемая нами частота выше, когда мы приближаемся к источнику, и ниже, когда мы отдаляемся от него.

Если источник акустических волн движется относительно среды со скоростью v_{\textit{ист}}, а приемник – со скоростью v_{\textit{пр}} навстречу источнику, то частота колебаний, которую он воспринимает, определяется по формуле

f=f_0(1+v_{\textit{пр}}/v_{\textit{ак}})/(1-v_{\textit{ист}}/v_{\textit{ак}}) ( 5.4)

В эхолокации важную роль играет и так называемый " двойной эффект Допплера " – изменение частоты колебаний звука при отражении акустических волн от подвижных объектов. Подвижный объект сначала выступает в роли приемника, а потом (при переизлучении) – в роли источника вторичных акустических волн. В этом случае изменение частоты вычисляется по формуле

f=f_0(1+v\cos\alpha_{\textit{пад}}/v_{\textit{ак}})/(1-v\cos\alpha_{\textit{от}}/v_{\textit{ак}) ( 5.5)
где \alpha_{\textit{пад}} и \alpha_{\textit{от}} – углы между волновым вектором падающей либо отраженной волны и перпендикулярной составляющей скорости движения поверхности объекта соответственно. Если объект приближается к приемнику, то частота выше, а если отдаляется – ниже. По изменению частоты можно определить скорость движения объекта.

Более детальную информацию относительно физики акустических волн можно получить из профессиональных книг, например [ [ 332 ] ].

< Лекция 4 || Лекция 5: 12345 || Лекция 6 >