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.

Курс_________________________________ ^___________ Интеллектуальные сенсоры

Датчики, чувствительные к звуковым волнам, которые распространяются 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).

Микрофоны

Первые микрофоныбыли 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, электрет-ные и другие типы таких датчиков.

В электростатических микрофонах мембрана, вибрирующая под влиянием акустических сигналов, служит одновременно и одной из обкладок конденсатора. Если электрический заряд q 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

U=qd/(EoS), (5.6)

где d — переменное расстояние между пластинами конденсатора, S — их площадь; £₀ — известная электрическая постоянная. Переменное напряжение в данном случае и является выходным сигналом, который далее усиливается.

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 лекции 2, рис. 2.10. Принципы действия пьезоэлектрических и пье-зорезистивных датчиков приводятся 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

Лекция 5______________________ Физические основы работы акустических сенсоров

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 д Б. 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 улучшилась 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].

Лекция 5___________________ Физические основы работы акустических сенсоров

плоская. Для примера на рис. 5.3 показана АЧХ гидрофона ТС4034 фирмы Reson, изображенного на рис. 5.2 внизу слева, (www.reson.com/sw3154.asp).

Чувствительность, дБ/Па
-195 I • ' ' " • у - — -у- ■--!--? - г - - - -. ............. .- ■

-200 '"]... Т"7~......... |........... I...... ;... f""T............ \.......... Г'

,..]...... L..A.............. J.... _........ J-.~..... L..... L.-.-i............... i.............. i...J

-205 j i i j j j j j | i

-210 "1..... V"~\.......... j... """.... j...... f... f"""f........... |........... !""'

-230 -|... H........ I...... I... f. H........ !...... I"]

-235 ^l"'j...... I""";........... j.......... j...... [... f'"\"..... ""'"I............ Г";

~24® j i i i ■ j I I Частота, кГц |

; . j . ; . . . . ; .......... ;. .._i. _ i . ■ . . . . ....................... j

₂₄₅

6 8 10 20 40 60 80 100 200 400

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.

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.

Рис. 5.4. Слева — электронный стетоскоп CADIscope швейцарской фирмы CADITEC. Виден жидкокристаллический дисплей с фонограммой и мини-наушники для параллельного прослушивания тонов сердца врачом-тера­певтом. Справа — электронный стетоскоп SKF TMST2

Длительное время чувствительным элементом стетоскопа было только ухо человека. Промышленность продолжает изготовлять 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 (www.voltra.ru).

Сейчас в стетоскопах применяют уже и «искусственное ухо». На рис. 5.4 сле­ва показан медицинский электронный стетоскоп CADIscope фирмы CADITEC (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 (www.8a.ru). В случае необходимости фонограмму работы дыхательных путей и сердца можно передать на компьютер и задокументировать. С компьютера ее 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.

На рис. 5.4 справа показан электронный стетоскоп SKF TMST2 — 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.

Поиск по сайту: