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

5.2. Приемники акустических сигналов

Поскольку акустические волны – это колебания давления, то для восприятия их применяют элементы, чувствительные к быстрым колебаниям внешнего давления. Как правило, это легкие мембраны или диафрагмы, преобразующие колебания давления воздуха, жидкости или твердого тела в механические колебания, которые, в свою очередь, превращаются далее в электрические сигналы или в сигналы другой природы.

Датчики, чувствительные к звуковым волнам, распространяющимся в воздухе или в газах, обычно называют микрофонами ; датчики, чувствительные к акустическим волнам, которые распространяются в воде или в жидкостях, – гидрофонами ; а датчики акустических волн в твердых телах, – стетоскопами. Врачи, например, уже много столетий применяют механические стетоскопы для прослушивания звуков внутри грудной клетки человека, возникающих в результате сокращений сердца, прохождения воздуха по дыхательным путям и т.д.

Основными параметрами акустических датчиков являются: частотный и динамический диапазоны, чувствительность, диаграмма направленности и амплитудно-частотная характеристика (АЧХ).

5.2.1. Микрофоны

Первые микрофоны были резистивными. Для преобразования механических колебаний в электрический сигнал в них использовали угольный (графитовый) порошок, электрическое сопротивление которого уменьшалось с возрастанием давления. Затем набор принципов работы акустических датчиков значительно расширился. Ныне используются: электростатические (конденсаторные, емкостные), волоконно-оптические, пьезоэлектрические, пьезорезистивные, электретные и другие типы таких датчиков.

В электростатических микрофонах мембрана, вибрирующая под влиянием акустических сигналов, служит одновременно и одной из обкладок конденсатора. Если электрический заряд на конденсаторе остается неизменным, а вибрации мембраны, т.е. перемещения одной из его пластин относительно другой, приводят к изменению емкости, то следствием является изменение напряжения на конденсаторе по закону

( 5.6)

Электретные микрофоны отличаются тем, что для них не нужен внешний источник напряжения, так как источником электрического поля в них является электрет – материал с постоянной (иногда говорят "замороженной") электрической поляризацией.

Принцип действия волоконно-оптического акустического датчика такой же, как описано в "Виды механических сенсоров. Представление о микросистемных технологиях. Деформационные сенсоры" , рис. 2.10. Принципы действия пьезоэлектрических и пьезорезистивных датчиков описаны в разделе 3.

Промышленность выпускает сейчас много типов высококачественных микрофонов. Для примера на рис. 5.1 показаны некоторые микрофоны компании Sanken. Слева – конденсаторный микрофон CS-1 массой 100 г и длиной 180 мм. Благодаря соответствующей конструкции приемной трубки (чувствительная мембрана глубоко утоплена, а пластинчатая мягкая боковая поверхность трубки глушит звуковые колебания, поступающие сбоку) этот микрофон имеет узкую диаграмму направленности в диапазоне частот от 50 Гц до 100 кГц, почти плоскую амплитудно-частотную характеристику, высокую чувствительность (– 30 дБ/Па). Он не искажает звук, даже если установить его рядом с источником, отлично работает вплоть до громкостей звука в 137 дБ. Его используют в том числе и для профессиональной звукозаписи высочайшего качества.

Рис. 5.1. Высококачественные микрофоны компании Sanken

Конденсаторный микрофон СО-100К (в центре), предназначенный для профессиональных применений, имеет широкую диаграмму направленности, очень ровную АЧХ в диапазоне частот 20 Гц - 100 кГц, чувствительность –35 дБ/Па, высокое соотношение сигнал/шум. Отлично воспринимает и передает также и низкие частоты.

Микрофон CUW-180 (справа), предназначенный для стереофонической записи, имеет две конденсаторные капсулы, каждую из которых можно повернуть на любой угол до 180 . Близкое расположение капсул обеспечивает высокую когерентность фаз их сигналов. Микрофон очень удобен и для записи интервью, когда люди сидят напротив друг друга. Его чувствительность составляет – 31 дБ/Па, АЧХ – плоская в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц.

Новое "дыхание" усовершенствованию микрофонов дало применение микросистемных технологий [ [ 12 ] ]. Вместе с чувствительным к звуку датчиком появилась возможность 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 микрофонов, что очень важно для всех портативных устройств. Резко улучшились чувствительность и другие характеристики микрофонов, уменьшилось влияние внешних помех и шумов. "MEMS микрофоны", как их стали называть, уже нашли широкое применение в портативных видеокамерах, в мобильных телефонах, видеотелефонах. По данным публикации [ [ 5 ] ] для этих применений ныне продаются десятки миллионов MEMS микрофонов за год. В недалеком будущем они найдут применение во многих новых бытовых приборах, которыми можно будет управлять голосом. Микроминиатюрные MEMS устройства для прослушивания можно спрятать практически в любом месте.

Фирма Akustica Inc. начала промышленный выпуск первой в мире акустической системы на КМОП кристалле размером 3,65x3x0,5 мм, выполняющей функции многих микрофонов, электронных блоков и программного обеспечения [ [ 1 ] ]. Система перекрывает частотный диапазон от 100 Гц до 10 кГц, имеет чувствительность –40 дБ, потребляемую мощность – лишь 0,4 мВт.

5.2.2. Гидрофоны

В отличие от микрофонов, гидрофоны должны быть стойкими к высоким статическим давлениям, характерным для больших глубин. Их применяют в гидроакустике для прослушивания акустических сигналов и шумов, распространяющихся в жидкостях, для измерения параметров этих сигналов и в качестве составляющих элементов приемных гидроакустических антенн. Наиболее распространены электродинамические, пьезоэлектрические и магнитострикционные гидрофоны. В магнитострикционных гидрофонах используют т.н. "обратный магнитострикционный эффект" в ферромагнетиках – изменение магнитной индукции при изменениях внешнего давления, которое приводит к появлению переменной ЭДС в обмотке.

Некоторые из широкой палитры гидрофонов, выпускаемых промышленно, показаны на рис. 5.2.

Рис. 5.2. Некоторые промышленные гидрофоны

В зависимости от назначения они имеют довольно разнообразное конструктивное исполнение и разные технические характеристики. В целом они перекрывают диапазон частот от 0,1 Гц (для восприятия и измерения инфразвуковых волн, распространяющихся в воде на сотни и даже на тысячи километров), до 500 кГц (для высокоточной ультразвуковой локации). Могут работать на глубинах до 1000 м и более, выдерживая статические давления свыше 10 МПа. Их диаграмма направленности, как правило, предельно широкая – все 360 по азимуту и до 170 в вертикальной плоскости. Амплитудно-частотная характеристика в рабочем диапазоне почти плоская. Для примера на рис. 5.3 показана АЧХ гидрофона ТС4034 фирмы Reson, изображенного на рис. 5.2 внизу слева, (http://www.reson.com/sw3154.asp).

Рис. 5.3. Частотная характеристика гидрофона ТС4034 фирмы Reson

Гидрофонам присуща очень высокая чувствительность – до 220 дБ. Чувствительный элемент герметически запаковывают в специальную, прозрачную для звука, синтетическую резину (например, полихлорпрен). Корпус делают из прочного, стойкого против коррозии и против обрастания в морской воде металла, – например, из сплава алюминий-бронза. Значительное внимание уделяют герметичному соединению гидрофона с кабелем и прочности кабеля, который может иметь длину порядка 1000 м.

Как и в случае микрофонов, значительный прогресс в усовершенствовании гидрофонов обеспечивает применение микросистемных технологий. Благодаря МСТ можно значительно расширить частотный диапазон и уже в самом гидрофоне выполнять селекцию и электронную обработку акустических сигналов, передавая по длинному кабелю уже хорошо обработанные мощные сигналы, устойчивые против электромагнитных помех и шумов.

5.2.3. Стетоскопы

В стетоскопах акустические колебания внешней грани твердого тела преобразуют в соответствующие колебания давления газа или жидкости. Они по звукопроводящей трубке передаются на чувствительный к акустическим колебаниям элемент. С целью повышения чувствительности площадь контакта стетоскопа с твердым телом увеличивают, а стенки звукопроводящей трубки постепенно сужают, чтобы сконцентрировать акустические колебания давления на небольшой площади и увеличить их амплитуду. Сужение, как правило, производится по экспоненциальному закону.

Длительное время чувствительным элементом стетоскопа было только ухо человека. Промышленность продолжает выпускать такие стетоскопы и сейчас – уже не только для медицинских и ветеринарных, но и для технических применений. Фирма Draper, например, выпускает стетоскоп D54503, предназначенный для выявления (по изменениям звуковой "картины") дефектов в двигателях, подшипниках и в других подвижных деталях работающих машин (http://www.voltra.ru).

Сейчас в стетоскопах применяют уже и "искусственное ухо". На рис. 5.4 слева показан медицинский электронный стетоскоп CADIscope фирмы CADIТЕС (Швейцария), который сам через грудную клетку человека воспринимает звуки работы сердца, усиливает их и воспроизводит в виде осциллограммы на жидкокристаллическом дисплее вместе со шкалой и отметками времени. Таким образом можно выявить и наглядно увидеть признаки даже неслышных ухом хрипов в дыхательных путях, сердечных аритмий и тахикардии (http://www.8a.ru). В случае необходимости фонограмму работы дыхательных путей и сердца можно передать на компьютер и задокументировать. С компьютера её можно передать также на большие расстояния через Интернет и получить срочную консультацию опытнейших специалистов. На этот же дисплей можно вывести также синхронную электрокардиограмму, полученную от электрокардиографа. Это делает электронный стетоскоп весьма ценным медицинским инструментом для диагностики заболеваний сердца.

Рис. 5.4. Слева – электронный стетоскоп CADIscope швейцарской фирмы CADIТЕС. Виден жидкокристаллический дисплей с фонограммой и мини-наушники для параллельного прослушивания тонов сердца врачом-терапевтом. Справа - электронный стетоскоп SKF ТМSТ2

На рис. 5.4 справа показан электронный стетоскоп SKF ТМSТ2 – высококачественный акустический сенсор, предназначенный для технических применений, в первую очередь, – для диагностики (по характеру звука) правильности работы механически вращающихся узлов машин. С удлиненной насадкой возможно прослушивание узлов, "спрятанных" глубоко внутри машины.

5.2.4. Поверхностные микрофоны

Возможность с помощью стетоскопа собирать звук с большой поверхности и концентрировать его на малой площадке чувствительного элемента привела к созданию так называемых поверхностных микрофонов. По сути – это стетоскопы. Они 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 пустотелой стене, к деке стола, к участку пола, под которым оставлено свободное пространство и т.п. Корпус поверхностного микрофона, как правило, литой, крепкий, а внешняя часть мембраны покрыта специальной тяжелой резиной, которая гасит низкочастотные вибрации, сторонние шумы и сводит на нет обратную связь со звуком, распространяющимся в том же помещении через динамик. Применение поверхностных микрофонов привело к повышению качества 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. Некоторые типы промышленных поверхностных микрофонов ( стетоскопов ) показаны на рис. 5.5.

Рис. 5.5. Некоторые типы "поверхностных микрофонов"

Особый тип поверхностных микрофонов разработала фирма Bruel & Kjaer [ [ 97 ] ]. Они предназначены для размещения на внешней поверхности самолетов, автомобилей, ракет, на лопастях турбин и т.п., с целью восприятия и записи вибраций и акустических колебаний, возникающих в процессе движения. Задача оказалась не из легких: ведь стетоскоп должен надежно работать в дождь и град, в условиях турбулентности, при значительных перепадах температуры (от –50 С до +100 С) и давления.

Задачу решили благодаря применению микросистемных технологий после многих исследований и экспериментов. Одним из трудно решаемых вопросов, например, было противодействие значительным перепадам статического давления (например, при взлете ракеты, когда она быстро набирает высоту). Вопрос удалось решить путем формирования в кристалле кремния с миниатюрным датчиком давления специальных обходных каналов, соединяющих внутренний объем сенсора с внешней средой ( рис. 5.6 слева). Благодаря таким каналам эффективно выравнивается статическая составляющая давления, и сенсор отлично работает как при повышенных, так и при низких значениях давления внешней среды.

Рис. 5.6. Слева – конструкция твердотельного акустического сенсора поверхностного микрофона 4948 фирмы Bruel & Kjaer: 1 – кристалл кремния; 2 – кремниевая мембрана для измерения колебаний давления; 3 – внутренняя полость; 4 – вертикальные обводные каналы; 5 – горизонтальные обводные каналы. Справа – фотография двух сенсоров, установленных на крыле самолета

Созданный поверхностный микрофон воспринимает вибрации и звуковые колебания в диапазоне частот от 5 Гц до 20 кГц, в динамическом диапазоне от 55 до 160 дБ и продемонстрировал высокую стабильность (дрейф 1 дБ за 1000 лет) в самых сложных условиях. С ним стали возможны такие акустические измерения, о которых раньше инженеры могли только мечтать. Появилась возможность количественного определения "усталости" металла, выявления причин повышенного шума, регистрация изменений режимов аэродинамического обтекания и т.п.

Еще одним интересным применением стетоскопов является прослушивание и запись "подземной музыки". На рис. 5.7 показан, например, исследователь, прослушивающий с помощью электронного стетоскопа "музыку" глетчера.

Рис. 5.7. Джекоб Киркегаард (Jacob Kirkegaard) с помощью электронного стетоскопа прослушивает и записывает "музыку" одного из глетчеров в Исландии

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. Оказывается, что им присуща не только непривычная для нас своеобразная акустическая красота и гармония. С их помощью можно узнать много нового о свойствах и о "внутренней жизни" этих объектов, своевременно предвидеть схождение горных лавин, продвижение глетчера, выбросы вулкана, разрушение айсберга и т.п.