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

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

где – амплитуда колебаний давления в паскалях, а – 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 , то частота колебаний, которые воспринимает наблюдатель, определяется формулой

где – частота колебаний в источнике акустических волн, – 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 , то частота колебаний, воспринимаемых наблюдателем, определяется по формуле

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 , а приемник – со скоростью навстречу источнику, то частота колебаний, которую он воспринимает, определяется по формуле

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

где и – 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 ] ].