Физические основы работы акустических сенсоров

Лекция 5. Физические основы работы акустических

Сенсоров. Приемники акустических сигналов.

Некоторые интеллектуальные акустические

Сенсоры

Даются минимально необходимые для понимания раздела сведения из физиче­ской акустики. Описаны основные виды приемников акустических сигналови приме­ры интеллектуальных акустических сенсоров: диктофоны, звукоанализаторы, бес­проводная гарнитура, гидроакустический телефон и другие.

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.

Список ключевых терминов:акустические волны, беспроводная гарнитура, гидроакустический телефон, гидроакустический буй, гидрофон, диктофон, интеллектуальный акустический сенсор, инфразвук, лазерный микрофон, поверхностный микрофон, портативный звукоанализатор, приемник акус­тических сигналов, стетоскоп, ультразвук, эффект Доплера.

Физические основы работы акустических сенсоров

В акустических сенсорахпервичные 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 чело­
веческое ухо;

Курс_____________________________________________ Интеллектуальные сенсоры

• ультразвуки (от 20 кГц до 1 ГГц);

• гиперзвуки (свыше 1 ГГц, вплоть до 10¹³ Гц).

Инфразвуки в воде (например, 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. У звуковых шумов очень ши­рокий непрерывный спектр частот.

Интенсивность акустических волн, как и всех других видов волн, характе­ризуется средней энергией, переносимой ими за единицу времени через едини­цу площади, перпендикулярной к направлению распространения, и измеряет­ся 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

N=20lg(p/_Po), (5.1)

где/? — амплитуда колебаний давления в паскалях, ар₀ = 2*Ю-⁵ Па — 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 происходит 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 либо 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 v, то частота колебаний, которые воспринимает наблюдатель, определяется формулой

Лекция 5 Физические основы работы акустических сенсоров

/=/о/(1 + v/v_aK), (5.2)

где^о — частота колебаний в источнике акустических волн, v_aK — 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 v, то ча­стота колебаний, воспринимаемых наблюдателем, определяется по формуле

/=/о(1 + v/v«). (5.3)

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 ^vucm> о приемник — со скоростью v_np навстречу источнику, то частота колебаний, которую он воспринимает, определяется по формуле

/=/о(1 + v_np/v_aK)/(l-v_ucm/v_aK). (5.4)

В эхолокации важную роль играет и так называемый «двойной эффект До­плера» — 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

/=/оО + vcosa«^/v_flj/(l - vcosa_om/v_aK), (5.5)

где а„_ад и а_от — 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 книг по данной тематике, например [332].

Поиск по сайту: