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

Краткие итоги

Датчики, чувствительные к звуковым волнам, распространяющимся в воздухе или в газах, обычно называют микрофонами; чувствительные к волнам, которые распространяются в воде или в жидкостях, – гидрофонами ; а к акустическим волнам в твердых телах, – стетоскопами. Основными параметрами акустических датчиков являются частотный и динамический диапазоны, чувствительность, диаграмма направленности и амплитудно-частотная характеристика. Новое "дыхание" усовершенствованию акустических датчиков дало применение МСТ. Появилась возможность вместе с чувствительным к звуку датчиком сформировать в том же кристалле кремния и все электронные схемы, требуемые для усиления, селекции и обработки звуковых сигналов. Это привело к уменьшению на порядок размеров, массы и стоимости датчиков, к улучшению их чувствительности и других характеристик, к уменьшению влияния внешних помех и шумов. С использованием новых приемников акустических сигналов построены многие виды интеллектуальных акустических сенсоров. В современных диктофонах встроенный микропроцессор позволяет сразу же 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. Интеллектуальные звукоанализаторы могут работать как с продолжительными, так и с кратковременными звуками, быстро разложить звуковые колебания в спектр, выполнить записанную в их память сложную обработку данных. " Беспроводная гарнитура " позволяет дистанционно пользоваться мобильным телефоном, распознавать некоторые фрагменты Вашей речи и, благодаря этому, осуществлять голосовой набор номера и управлять голосом некоторой "умной" домашней техникой. Интеллектуальные гидроакустические сенсоры позволяют переговариваться под водой, изучать мир подводных звуков, заранее предупреждать о приближении шторма, цунами и т.д. Интеллектуальные подслушивающие приборы позволяют незаметно подслушивать разговоры на довольно больших расстояниях, за закрытыми окнами, в закрытых помещениях. Интеллектуальные электронные стетоскопы открыли нам звуковое окно в таинственный мир подземной природы. С их помощью можно прослушивать и записывать естественные звуки гор, пробуждающихся вулканов, фонтанирующих гейзеров, плавающих айсбергов и т.д. Интеллектуальные медицинские стетоскопы позволяют выявить и наглядно увидеть признаки даже неслышных ухом сердечных аритмий, нарушений в дыхательных путях, документировать фонограммы, передать их на компьютер или в сеть связи для срочной консультации со специалистами.

Набор для практики

Вопросы для самопроверки

1. Что такое "акустические волны"? Чем отличаются "звуки", "инфразвуки", "ультразвуки", "гиперзвуки"?
2. Назовите основные виды приёмников акустических сигналов.
3. Какие виды интеллектуальных акустических сенсоров Вы знаете?
4. Чем обусловлены достоинства современных диктофонов?
5. Для чего и где применяют портативные анализаторы звуков?
6. Что такое "беспроводная гарнитура"? Для чего и как её применяют?
7. Как устроен гидроакустический телефон?
8. Что Вы знаете о гидроакустических буях?
9. Каков принцип работы направленных приёмников звука?
10. Что такое "лазерный микрофон"? Как можно от него защититься?
11. Как работают устройства дистанционного подслушивания с помощью стетоскопов?

Упражнения

Упражнение 5.1. Пользуясь формулой (5.1), вычислите:

Вариант 1. Во сколько раз должна возрасти амплитуда звукового давления акустической волны, чтобы уровень звукового давления повысился на 10 дБ?

Вариант 2. Уровень звукового давления акустических волн от двигателя взлетающего самолёта, если амплитуда колебаний давления в них . "Порог слышимости" .

Вариант 3. Уровень звукового давления акустических волн приятной тихой музыки, если амплитуда колебаний давления в них . "Порог слышимости" .

Вариант 4. Амплитуду колебаний давления акустической волны при уровне звукового давления 140 дБ, соответствующем "болевому порогу". "Порог слышимости" .

Вариант 5. Амплитуду колебаний давления акустической волны от шелеста листьев при уровне звукового давления 10 дБ. "Порог слышимости" .

Упражнение 5.2.

Вариант 1. Основной тон гудка, издаваемого приближающимся к Вам локомотивом, приходится на частоту 1000 Гц. Каков основной тон гудка, который Вы слышите, если скорость движения локомотива 180 км/ч? Какой станет частота основного тона слышимого Вами гудка, когда локомотив станет отдаляться от Вас с такой же скоростью?

Вариант 2. Основной тон гудка, издаваемого движущимся навстречу Вам со скоростью 180 км/ч локомотивом, приходится на частоту 2000 Гц. Вы слышите гудок из окна встречного поезда, движущегося со скоростью 90 км/ч. Какова частота основного тона слышимого Вами гудка? Какой станет частота основного тона слышимого Вами гудка, когда локомотив проедет мимо Вас и начнет удаляться?

Вариант 3. Летучая мышь летит со скоростью 27 км/ч и посылает вперед ультразвуковой импульс с частотой колебаний 32 кГц. Какой частоты отраженный сигнал от неподвижного препятствия она слышит?

Вариант 4. Рыбопоисковый эхолот, установленный на медленно плывущем судне, излучает УЗ волны частотой 100 кГц. Часть их отражается от кита, плывущего со скоростью 7,2 км/ч, и возвращаются назад. Каков частотный сдвиг УЗ волн, излучаемых и принимаемых эхолотом? Скорость распространения УЗ волн в воде принять равной 1500 м/с, эхолот можно считать неподвижным.

Вариант 5. Стационарно установленный гидролокатор, работающий на частоте 180 кГц, получает отраженный от подвижного объекта УЗ сигнал с частотой на 420 Гц ниже. С какой скоростью и в каком направлении двигается обнаруженный гидролокатором объект? Скорость распространения УЗ волн в воде принять равной 1500 м/с, а и в формуле (5.5) равными 1.

Упражнение 5.3. Какими основными параметрами характеризуют акустические датчики? Расскажите кратко, какие именно свойства описывает каждый из этих параметров.

Упражнение 5.4. Кратко опишите один из видов приемников акустических сигналов. Осветите, в частности, такие вопросы: какими они бывают по своей физической реализации? Какой диапазон частот перекрывают? Какое влияние оказало на них применение МСТ? Опишите один из вариантов реализации.

Вариант 1. Микрофоны.

Вариант 2. Гидрофоны.

Вариант 3. Стетоскопы.

Вариант 4. Поверхностные микрофоны.