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

Ответы

Ответы на вопросы

1. Акустические волны – это колебания давления распространяющиеся в воздухе (газах), жидкости или в твердой среде. "Звуки", "инфразвуки", "ультразвуки" и "гиперзвуки" различаются по частоте колебаний: инфразвуки – меньше 16 Гц; звуки – от 16 Гц до 20 кГц; ультразвуки – от 20 кГц до 1 ГГц; гиперзвуки – свыше 1 ГГц.

2. Основными видами приёмников акустических сигналов являются микрофоны, гидрофоны и стетоскопы. Можно выделить в отдельный вид также и "поверхностные микрофоны".

3. В лекции рассказано о следующих видах интеллектуальных акустических сенсоров: диктофоны, портативные анализаторы звука, беспроводные гарнитуры, гидроакустические телефоны, гидроакустические буи, интеллектуальные поверхностные микрофоны и стетоскопы, устройства для незаметного прослушивания и записи разговоров.

4. Современные диктофоны уже не имеют подвижных узлов, и поэтому их можно применять в дороге, в условиях вибраций, запылённости, в широком диапазоне температур окружающей среды. Встроенный микрокомпьютер и программное обеспечение позволяют сразу же фильтровать, обрабатывать, форматировать живую речь, музыку, пение птиц 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.

5. Портативные анализаторы звуков применяют для регистрации 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, установок, быстро находить причины неполадок.

6. "Беспроводная гарнитура" – это небольшие легкие интеллектуальные акустические сенсоры, которые крепят к уху с целью высвобождения рук от необходимости держать мобильный телефон или пульт управления. С помощью гарнитуры ими можно дистанционно пользоваться на расстояниях до 10-20 м. С этой целью в гарнитуру встраивают миниатюрный микрофон, электронные схемы усиления сигналов от него, Bluetooth радиоприемник-передатчик, наушник и необходимые элементы управления. В режиме мобильной связи гарнитура воспринимает речь пользователя, преобразует её в стандартные электромагнитные сигналы и передает в мобильный телефон. Ряд гарнитур поддерживает также сервис распознавания некоторых фрагментов речи. Благодаря этому становятся возможными выдача управляющих команд голосом и голосовой набор номера. Через гарнитуру с помощью голоса можно управлять домашней техникой, оснащенной интерфейсом Bluetooth. Это могут быть, например, кондиционер или обогреватель, радиоприемник или телевизор, управляемый замок на двери или камера видеонаблюдения.

7. Звуки голоса воспринимаются микрофоном, преобразуются в электрические сигналы, потом – в цифровые коды. В микрокомпьютере они перекодируются, форматируются в стандартные "пакеты", которые с помощью УЗ волн передаются в водную среду. Они принимаются гидроакустическим приемником абонента, проверяются на соответствие предусмотренному протоколу и позывным абонента. Если сообщение предназначено именно ему, то оно обрабатывается и расшифровывается микрокомпьютером и преобразуется опять в звуки речи. Так собеседники слышат друг друга.

8. Гидроакустический буй сбрасывают в нужное место в море или океане. В соответствии с заложенной в его микрокомпьютер программой он начинает "прослушивать" и анализировать акустические сигналы, распространяющиеся в водной среде в заданных диапазонах частот. Буй оснащен радиоприемным и передающим устройствами с собственными позывными сигналами и может передавать полученную информацию на далекие расстояния и принимать задания на изменение частот, режима или программы работы. Такие гидроакустические буи могут предупреждать о приближении штормов, цунами, о появлении в контролируемой акватории судов, морских животных, на которых установлен сигнализатор. Они могут использоваться также как промежуточные приемо-передающие пункты для сверхдальней связи с подводными лодками.

9. Острая диаграмма направленности приёмников звука достигается с помощью рупорной или параболической акустической антенны. Такая антенна не только обеспечивает острую направленность и отфильтровывание звуков, приходящих с других направлений, но и, собирая звук с большой поверхности, концентрирует его на малой площади микрофона, чем обеспечивает повышение чувствительности.

10. "Лазерный микрофон" применяют для прослушивания разговоров внутри помещения или автомобиля за закрытыми окнами. Дело в том, что звуковые волны, падая на оконное стекло, вызывают его вибрацию с соответствующими звуковыми частотами, т.е. окно превращает звуковые сигналы в механические колебания. На значительном расстоянии от стекла (до 100–200 м) устанавливают инфракрасный лазер, невидимый модулированный луч которого направляют на стекло. Направление луча регулируют так, чтобы отраженный от стекла луч попадал на фотоприемник. Вибрации стекла меняют фазу световых колебаний, попадающих на фотоприемник. Сигналы от него в электронном блоке усиливаются, фильтруются, детектируются и записываются, а также могут быть прослушаны через наушники. Защититься от прослушивания лазерным микрофоном можно, прикрепив к стеклу окна небольшой пьезоэлектрический преобразователь, на который подаётся напряжение от генератора шума. Создаваемые им колебания стекла достаточно слабые, чтобы не помешать разговору внутри помещения, создадут очень серьезные помехи прослушиванию через лазерный микрофон.

11. Миниатюрный стетоскоп крепят к стене помещения, примыкающего к охраняемому, – к бетонной панели потолка, пола или к стенке 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 инфракрасному передатчику с большой угловой апертурой излучения. Приемник устанавливают в любом удобном месте довольно широкой зоны, так как радиус приема составляет 500 м и более. 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.

Ответы к упражнениям

Упражнение 1.

Вариант 1. Из формулы (5.1) следует, что

Подставляя дБ, находим . Следовательно, амплитуда звукового давления акустической волны должна возрасти в 3,16 раза.

Вариант 2. Подставляя данные задачи в формулу (5.1), находим

Вариант 3. Подставляя данные задачи в формулу (5.1), находим

Вариант 4. Из формулы (5.1) следует, что

Подставляя , находим: . Следовательно, амплитуда звукового давления, соответствующая болевому порогу, составляет 200 Па.

Упражнение 5.2.

Вариант 1. Сначала выразим скорость локомотива в м/с:

Подставляя данные в формулу (5.2), находим для случая приближения к нам локомотива

Вариант 2. Сначала выразим скорости локомотива и поезда, в котором Вы едете, в м/с:

Подставляя данные в формулу (5.4), находим f_1 = 2000(1 + 25/340) / (1 – 50/340) \approx 2517 \text{ Гц}.

Когда локомотив проедет мимо нашего поезда и станет удаляться, знаки скоростей изменятся на "минус". Частота основного тона станет равна f_2 = 2000(1 – 25/340) / (1 + 50/340) \approx 1615 \text{ Гц}.

Вариант 3. Сначала выразим скорость летучей мыши в м/с:

Мы имеем двойной эффект Доплера. На неподвижное препятствие падает ультразвуковая (УЗ) волна с частотой

Отраженная УЗ волна имеет такую же частоту. Но летучая мышь выступает теперь в роли приемника звука, движущегося к неподвижному источнику звука со скоростью 7,2 м/с. Поэтому летучая мышь воспринимает отраженный сигнал как УЗ волну с частотой

Вариант 4. Сначала выразим скорость кита в м/с:

Теперь воспользуемся формулой (5.5), считая что . Получаем, что приемник эхолота принимает УЗ волны частотой

Следовательно, частотный сдвиг составляет (100,27 – 100) кГц = 270 Гц.

Вариант 5. Если , то формула (5.5) приобретает вид

В данной задаче неизвестной величиной в этой формуле является скорость v подвижного объекта. Решая полученное уравнение относительно этой неизвестной, получаем

Подставляя данные задачи в это выражение, находим

Таким образом, обнаруженный гидролокатором объект двигается со скоростью 6,3 км/ч от гидролокатора.

Упражнение 5.3. Основными параметрами акустических датчиков являются: частотный и динамический диапазоны, чувствительность, диаграмма направленности и амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). Частотный диапазон показывает, акустические колебания каких именно частот воспринимает ("чувствует") данный датчик. Динамический диапазон указывает минимальный и максимальный уровни звукового давления, которые может отсчитывать датчик. Чувствительность акустических датчиков характеризует отклик датчика на изменение амплитуды акустического сигнала и выражается обычно в мВ/Па. Для характеристики чувствительности акустических приемников используют также "стандартный уровень чувствительности ", выражаемый в децибелах и отражающий уровень мощности на выходе приемника при амплитуде давления акустических волн в 1 Па. Диаграмма направленности показывает зависимость чувствительности акустического датчика от направления, с которого приходит акустическая волна. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) – это зависимость чувствительности акустического датчика от частоты акустических колебаний.

Упражнение 5.4.

Вариант 1. Сейчас используются электростатические (конденсаторные, емкостные), волоконно-оптические, пьезоэлектрические, пьезорезистивные, электретные и др. микрофоны Лучшие из микрофонов перекрывают диапазон частот от 20 Гц до 100 кГц. Применение МСТ привело к уменьшению на порядок размеров, массы и стоимости микрофонов. 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. Благодаря этому резко улучшились чувствительность и другие характеристики микрофонов, уменьшилось влияние внешних помех и шумов. "MEMS микрофоны", как их называют, уже нашли широкое применение в портативных видеокамерах, в мобильных телефонах, видеотелефонах. Одним из вариантов реализации являются электростатические микрофоны. В них мембрана, вибрирующая под влиянием акустических сигналов, служит одновременно одной из обложек конденсатора. Когда электрический заряд на конденсаторе остается неизменным, то вибрации мембраны приводят к изменению емкости и, как следствие, – к изменениям напряжения на конденсаторе. Таким образом акустические сигналы преобразуются в электрические.

Вариант 2. Наиболее распространены электродинамические, пьезоэлектрические и магнитострикционные гидрофоны. Лучшие из гидрофонов перекрывают диапазон частот от 0,1 Гц (для восприятия инфразвуков) до 500 кГц. Применение МСТ привело к уменьшению на порядок размеров, массы и стоимости гидрофонов. 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. Благодаря этому резко улучшились чувствительность и другие характеристики гидрофонов, уменьшилось влияние внешних помех и шумов, улучшились условия передачи сигналов по очень длинным кабелям (порядка 1 км). Одним из вариантов реализации являются магнитострикционные гидрофоны. В них используется т.н. "обратный магнитострикционный эффект" в ферромагнетиках, т.е. изменение магнитной индукции при изменениях внешнего давления, что приводит к появлению переменной ЭДС в обмотке.

Вариант 3. Длительное время стетоскопы обеспечивали только съём акустических колебаний давления со стенок твердого тела, их усиление и концентрацию энергии колебаний на меньшей площади. А чувствительным элементом было ухо человека. Теперь появились и стетоскопы с искусственным чувствительным элементом – микрофоном или гидрофоном. Рабочий диапазон частот определяется, в первую очередь, именно этим элементом, но зависит еще и от конструкции стетоскопа. Применение МСТ привело к уменьшению на порядок размеров, массы и стоимости чувствительных элементов, улучшению их технических параметров. Одним из вариантов реализации является медицинский электронный стетоскоп, который через грудную клетку воспринимает звуки работы сердца, усиливает их и воспроизводит в виде осциллограммы на дисплее. Так можно выявить и наглядно увидеть признаки даже неслышных ухом сердечных аритмий и тахикардии. Фонограмму работы сердца можно передать на компьютер и задокументировать. Это делает электронный стетоскоп весьма ценным медицинским инструментом для диагностики заболеваний сердца.

Вариант 4. Поверхностные микрофоны имеют плоскую входную мембрану, внутренний объем газа для концентрирования звука и чувствительный акустический элемент. Входная мембрана с помощью специальной мастики крепится к большой по площади твердой поверхности, которая имеет хорошие акустические свойства. Например, к металлической стенке работающего оборудования, к пустотелой стенке шкафа, к деке стола, к участку пола, под которым оставлено свободное пространство и т.п. Применение поверхностных микрофонов привело к повышению качества принимаемого звука, разборчивости передач и записей живой речи. Их можно установить так, чтобы они не привлекали к себе внимания. И теперь их широко применяют в конференц-залах. Рабочий диапазон частот определяется, в первую очередь, применяемым чувствительным элементом. Применение МСТ привело к значительному улучшению всех параметров. Одним из вариантов реализации является поверхностный микрофон для восприятия и записи естественных звуков гор, ледников, айсбергов, пробуждающихся вулканов. Это позволяет своевременно узнавать об угрозе схождения горных лавин, продвижения глетчера, выбросов вулкана, разрушения айсберга и т.п.