Физические основы работы акустических сенсоров. Приемники акустических сигналов. Некоторые интеллектуальные акустические сенсоры
5.3. Некоторые интеллектуальные акустические сенсоры
С использованием вышеописанных приемников акустических сигналов строят интеллектуальные акустические сенсоры, в том числе такие, в которых с помощью микропроцессора выполняется профессиональная обработка первичных сигналов и обеспечивается удобный сервис.
5.3.1. Диктофоны
Одним из видов таких сенсоров являются современные диктофоны. Еще несколько десятилетий назад акустические сигналы, которые воспринимались микрофоном, усиливались и записывались на магнитную ленту в магнитофонах. Современные диктофоны уже не имеют подвижных узлов, и поэтому их можно применять в дороге, в условиях вибраций, запылённости, в значительно более широком диапазоне температур окружающей среды. Наличие встроенного микропроцессора и программного обеспечения позволяет в реальном времени фильтровать, обрабатывать, форматировать музыку, живую речь и другие звуковые последовательности в стандартные звуковые файлы, организовывать удобные для пользователя каталоги этих файлов, интерфейс с внешним компьютером или сетью связи. Используя флэш-память, можно записывать и сохранять очень большие объемы звуковых файлов.
Для примера на рис. 5.8 показаны образцы современных цифровых диктофонов SM и Olympus VN-1100.
Рис. 5.8. Образцы современных портативных цифровых диктофонов: слева – цифровой диктофон SM; справа – Olympus VN-1100
Цифровой диктофон SМ рассчитан на запись звука на внешнюю флэш-память не только со встроенного в него микрофона, но и с телефонной линии. Записи в виде стандартных звуковых файлов (в целом до 1120 минут живой речи) можно прослушивать с помощью наушника, переносить на компьютер. В ходе записи диктофон сам автоматически удаляет длинные паузы в речи, что позволяет эффективно использовать память. Масса этого диктофона только 17 г, габаритные размеры 51 x 42 x 11 мм. Литий-полимерные аккумуляторы обеспечивают 55 часов автономной работы в режиме записи и до 2,5 месяцев работы в режиме ожидания. При работе вместе с телефоном диктофон обеспечивает возможность автоматической регистрации входных телефонных звонков, запоминания номеров, с которых приходят звонки, даты и времени начала и конца разговора.
Портативный цифровой диктофон Olympus VN-1100 легкий, удобный, имеет типичный дизайн, дружественное к пользователю меню. Обеспечивает возможность записи до 17 часов разговора. Записи автоматически датируются и могут хранить пометки пользователя, легко переносятся в компьютер. Могут воспроизводиться, начиная с любого места.
5.3.2. Портативные звукоанализаторы
С тех пор как человечество поняло положительную роль мелодичных звуков и отрицательное влияние на наше здоровье шумов и раздражающих излишне громких звуков, появилась и начала возрастать потребность в их акустических измерениях. Потребность эта стала особенно актуальной, когда в технически развитых странах мира были приняты законы, регулирующие допустимые уровни промышленных и бытовых шумов. Еще до недавнего времени для измерений громкости звука, времени реверберации звуков в помещениях, для выявления и определения резонансных частот и прочих важных акустических характеристик помещений использовалась сложная стационарная аппаратура. Но возрастающая потребность в измерениях привела к созданию относительно недорогих портативных измерителей громкости звука и других параметров звуковых колебаний.
Давно известно, что акустические колебания могут нести в себе очень ценную информацию об источнике звука, о работе двигателей, машин, о состоянии механических конструкций. Но для использования этой информации нужен спектральный анализ звуков. За последние десятилетия с использованием современных технологий удалось создать довольно надежные, удобные, портативные анализаторы звуков. Один из них показан на рис. 5.9, а. Портативный анализатор звука 2250 фирмы Bruel & Kjaer является двухканальным. Схема его применения показана на рис. 5.9, б. Ко входу присоединяются приемники звука со встроенным предусилителем. Соединение может быть как непосредственным, так и через специальный кабель длиной в десятки метров. Анализатор получился весьма удобным и разносторонним помощником для специалистов по акустике. В зависимости от заложенного в его микрокомпьютер программного обеспечения, он может использоваться:
- как измеритель интенсивности или громкости звука;
- как регистратор среднего уровня шума на улицах города, в районах аэропортов, на промышленных предприятиях в разных частотных диапазонах;
- для исследования акустических свойств помещений, концертных залов;
- для точной настройки музыкальных инструментов, для контроля их качества, поиска путей их улучшения.
Анализатор может быстро разложить звуковые колебания в спектр, который выводит на свой жидкокристаллический дисплей. При этом он может работать как с продолжительными, так и с кратковременными звуками, а также с механическими вибрациями, записывая их в свою память. С его помощью можно по изменению характера звука оперативно обнаружить сбои и нарушения в работе двигателей, машин, быстро находить причины неполадок.
На рис. 5.9, в показано применение анализатора звука для оперативного контроля шумов на улицах и площадях города, а на рис. 5.9, г – для мобильных измерений уровня шумов и создания шумовой карты города, окрестностей аэропорта, местности, окружающей слишком "шумные" предприятия. В этом случае микрофоны устанавливают на крыше автомобиля, на котором объезжают контролируемую местность, фиксируя в памяти прибора измеренные уровни шума, соответствующее координаты и время. Если в автомобиле имеется GSM навигатор, то результаты измерений уровня шума автоматически привязываются к карте. Измеренный уровень шума может автоматически сравниваться с допустимым уровнем. При превышении уровня шума подается сигнал, и микропроцессор сам составляет соответствующий протокол.
Спектральный анализ звука выполняется в полосе частот от 0,1 Гц до 20 кГц. На дисплее отображается спектр, который состоит из свыше 400 полос с разрешающей способностью 50 Гц вблизи верхней частоты 20 кГц и 1 Гц на частотах ниже 300 Гц. Информация о спектре шума, о положении резонансных пиков позволяет быстро найти пути уменьшения шума или причины нежелательных изменений в работе оборудования.
При обследовании акустических свойств помещений одновременно определяются значения времени реверберации во всех звуковых октавах и выявляются все резонансные частоты помещения. Можно быстро определить уровень и качество звука в разных местах концертного зала, найти оптимальное размещение вспомогательных звуковых колонок и необходимый уровень усиления звука, выявить проблемы звукоизоляции помещения от уличного шума, найти пути их устранения и т.п.
Записанные с помощью портативных анализаторов звуковые файлы легко переносятся на компьютер для документирования и более глубокого профессионального анализа. В качестве примера на рис. 5.10 показан полученный в результате компьютерного анализа довольно детальный трехмерный спектр одного из звуковых файлов в координатах "амплитуда - частота - время" после начала звучания.
Рис. 5.10. Пример трехмерной картины одного из звуковых файлов в координатах "частота – амплитуда – время" от начала звучания
5.3.3. Беспроводная гарнитура
Все больше владельцев мобильных телефонов начинают пользоваться так называемой " Bluetooth гарнитурой ". Эти небольшие легкие акустические сенсоры крепят к уху с целью высвобождения рук от необходимости держать мобильный телефон, которым можно теперь дистанционно пользоваться на расстоянии до 10-20 м. С этой целью в гарнитуру встраиваются миниатюрный микрофон, схемы усиления сигналов от него, Bluetooth радиоприемник-передатчик, наушник и необходимые элементы управления. Некоторые образцы из широкого выбора имеющихся на рынке гарнитур Bluetooth показаны на рис. 5.11. Целый ряд гарнитур поддерживает сервис выдачи управляющих команд голосом, голосовой набор номера, а через некоторые из них с помощью голоса можно даже управлять несколькими домашними устройствами, оснащенными интерфейсом Bluetooth. Это может быть, например, кондиционер или обогреватель, радиоприемник или телевизор.
5.3.4. Гидроакустический телефон
К числу интеллектуальных акустических сенсоров можно отнести и гидроакустический телефон, специально созданный для обеспечения общения людей под водой. Его функциональная схема показана на рис. 5.12. Звук голоса в микрофоне 1 превращается в электрические колебания, которые усиливаются в усилителе 2 и передаются на микрокомпьютер 3. Там они превращаются в двоичные коды, объединяются в стандартные цифровые "пакеты" и передаются на манипулятор сигналов 5. На него поступают также колебания несущей УЗ частоты от генератора 4. При необходимости поддержания секретности частота колебаний может изменяться по командам от микрокомпьютера 3 в соответствии с определенным "протоколом".
Манипулированные сигналы через усилитель мощности 6 и коммутатор 7 поступают на акустическую антенну 8 и излучаются в толщу воды в виде ультразвуковых волн. Распространяясь в воде, они доходят до абонента и принимаются его акустической антенной 8. Через коммутатор 7 принятые сигналы проходят на усилитель-демодулятор 9, передаются на микропроцессор 3, расшифровываются и проверяются на соответствие установленному протоколу и позывным абонента. Если передача предназначена именно данному абоненту, то сигналы поступают на усилитель звуковой частоты 10, а из него – на воспроизводитель звука 11. Это могут быть наушники или громкоговоритель. Такие гидроакустические телефоны применяют для связи с подводными аппаратами и связи между ними, а несколько упрощенные – для переговоров с водолазами.
Напомним также об автономных интеллектуальных гидроакустических буях, которые сбрасывают в любое место в море или океане. Они начинают автоматически "слушать" и анализировать акустические сигналы, распространяющиеся в водной среде в заданных диапазонах частот. Они оснащены радиоприемным и передающим устройствами с собственными позывными сигналами и могут передавать полученную информацию на далекие расстояния и принимать задания на изменение частот или режимов работы. Такие гидроакустические буи могут заранее предупреждать о приближении штормов, цунами, о появлении в контролируемой акватории судов, морских животных, на которых установлен сигнализатор. Они могут использоваться также в качестве промежуточных приемо-передающих пунктов для сверхдальней связи с подводными лодками.
5.3.5. Прослушивающие устройства
Среди интеллектуальных акустических сенсоров имеются и приборы для незаметного прослушивания разговоров. Сразу же оговорим, что это является законным лишь при наличии разрешения суда или прокурора.
Одним из видов таких сенсоров являются направленные приемники звука ( рис. 5.13) с рупорной 1 или с параболической антенной 2.
Рис. 5.13. Функциональная схема направленных приемников звука: слева – с рупорной 1; справа – с параболической антенной 2; 3 – микрофон; 4 – электронный блок; 5 – наушники или громкоговоритель; 6 – растяжки для крепления микрофона
Такая антенна не только обеспечивает острую направленность и фильтрацию звуков, приходящих с других направлений, но и, собирая звук с большой поверхности, концентрирует его на малой площади микрофона 3, чем обеспечивает повышение чувствительности. В электронном блоке 4 производятся фильтрация, усиление и предварительная обработка сигналов. Усиленные звуковые сигналы можно прослушивать через наушники или громкоговоритель. Параллельно производится запись разговора в память сенсора.
С параболической антенной диаметром 0,4-1 м удается достичь остроты диаграммы направленности и чувствительности, достаточных для того, чтобы при отсутствии значительного постороннего акустического шума услышать и зафиксировать разговор, ведущийся на расстояниях до 1200 м. В реальных условиях города при наличии значительного звукового фона эта дистанция сокращается до 100 м.
Если разговор ведется внутри помещения или автомобиля за закрытыми окнами, то для его прослушивания разработаны так называемые " лазерные микрофоны ", принцип действия которых раскрывается на рис. 5.14.
Звуковые волны 2, достигая стекла 1, вызывают его вибрацию с соответствующими звуковыми частотами. Здесь стеклянная пластина окна играет роль мембраны – чувствительного элемента сенсора, который превращает звуковые сигналы в механические колебания. На значительном расстоянии от стекла (до 100–200 м) устанавливают лазер 3, невидимый (как правило, инфракрасный) модулированный луч которого направляют на стекло. На таком же примерно расстоянии в пределах конуса отраженного от стекла лазерного луча располагают приемный пункт, в состав которого входят один или несколько фотоприемников 4, электронный блок 5 и генератор звука 6 (наушники или громкоговоритель). При вибрациях стекла изменяется фаза световых колебаний, попадающих на фоточувствительный элемент в точке приема. Сигналы от него в электронном блоке усиливаются, фильтруются, детектируются и записываются, а также могут быть прослушаны через наушники 6.
"Профи" по прослушиванию охотно используют устройства с применением стетоскопа. Миниатюрный стетоскоп крепят к стене помещения, примыкающего к охраняемому, – к бетонной панели потолка, пола или к стене того участка системы вентиляции, которая подходит к прослушиваемому помещению. Чувствительность современных стетоскопов позволяет прослушивать разговор за бетонной стеной толщиной до 1 м. Сигнал от стетоскопа передается на электронный блок, который его усиливает, обрабатывает и через кабель посылает к передатчику. Раньше это были радиопередатчики на ультракоротких волнах. Теперь чаще применяют оптические инфракрасные передатчики с большой угловой апертурой излучения. Это позволяет установить приемник в любом удобном месте довольно широкой зоны, так как радиус приема составляет 500 м и более. Передачу инфракрасными лучами выявить значительно тяжелей, чем радиопередачу. Тем более, что имеющийся в электронном блоке микропроцессор позволяет разбить разговор на фрагменты, сжать соответствующую информацию и передавать её очень кратковременными информационными пакетами в заранее обусловленные моменты времени, известные лишь тому, кто должен принимать передачу.
Заметим, однако, что от обоих последних видов прослушивания можно защититься, прикрепив к стеклу окна (к стене, потолку, полу) небольшие пьезоэлектрические преобразователи и подавать на них напряжение от генератора шума. Создаваемые ими звуковые колебания должны быть слабыми, чтобы не помешать разговору внутри помещения, но они создают очень серьезные помехи прослушиванию посторонними.