Россия |
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) |
![d](/sites/default/files/tex_cache/8277e0910d750195b448797616e091ad.png)
![S](/sites/default/files/tex_cache/5dbc98dcc983a70728bd082d1a47546e.png)
![\varepsilon_0](/sites/default/files/tex_cache/51a5e4020d09516d50a173fd86e09e54.png)
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.
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.
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).
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.
![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](/EDI/06_03_17_3/1488752433-23564/tutorial/622/objects/5/files/05_04.jpg)
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.
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.
![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](/EDI/06_03_17_3/1488752433-23564/tutorial/622/objects/5/files/05_06.gif)
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.
![Джекоб Киркегаард (Jacob Kirkegaard) с помощью электронного стетоскопа прослушивает и записывает "музыку" одного из глетчеров в Исландии](/EDI/06_03_17_3/1488752433-23564/tutorial/622/objects/5/files/05_07.gif)
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.