Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое акустические сенсоры, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое акустические сенсоры, микрофон, гидрофон, стетоскоп, эхолокатор , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Датчики и сенсоры, Технические измерения и измерительные приборы .
В акустических сенсорах первичные информационные сигналы являются акустическими.
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).
Звуковая, упругая волна. Характеристики: скорость, диапазон частот, высота, тембр, громкость. Инфразвук и ультразвук.
Спектр звуковых колебаний. 1 — землетрясения, молнии и обнаружение ядерных взрывов; 2 — акустический диапазон; 3 — Слух животных; 4, Ультразвуковая очистка; 5. Терапевтическое применение ультразвука; 6 — Неразрушающий контроль и медицинская ультразвуковая диагностика; 7 — Акустическая микроскопия; 8 — Инфразвук; 9 — Слышимый диапазон; 10 — Ультразвук
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
(4.1)
где p– амплитуда колебаний давления в паскалях, а 
– это так называемый "порог слышимости", т.е. минимальная амплитуда звуковых колебаний, которые способно услышать человеческое ухо.
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
(4.2)
где f0 – 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.
Воспринимаемая нами частота выше, когда мы приближаемся к источнику, и ниже, когда мы отдаляемся от него.
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 микрофон ами; датчики, чувствительные к акустическим волнам, которые распространяются в воде или в жидкостях, – гидрофон ами; а датчики акустических волн в твердых телах, – стетоскоп ами. 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 микрофоны были резистивными. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . 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, и другие типы таких датчиков.
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.
Варианты исполнения погружной и врезной гидрофон
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.
электронный стетоскоп SKF
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.
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, выбросы вулкана, разрушение айсберга и т.п.
Прослушивающие устройства
Среди интеллектуальных акустических сенсоров имеются и приборы для незаметного прослушивания разговоров. Сразу же оговорим, что это является законным лишь при наличии разрешения суда или прокурора.
Существует много различных прослушивающих приборов, рассмотрим лишь один вариант, когда разговор ведется внутри помещения или автомобиля за закрытыми окнами, то для его прослушивания разработаны так называемые "лазерные микрофоны", принцип действия которых раскрывается на рис.4.1
Рис. 4.1. Функциональная схема лазерного микрофона
Звуковые волны 2, достигая стекла 1, вызывают его вибрацию с соответствующими звуковыми частотами. Здесь стеклянная пластина окна играет роль мембраны – чувствительного элемента сенсора, который превращает звуковые сигналы в механические колебания. На значительном расстоянии от стекла (до 100–200 м) устанавливают лазер 3, невидимый (как правило, инфракрасный) модулированный луч которого направляют на стекло. На таком же примерно расстоянии в пределах конуса отраженного от стекла лазерного луча располагают приемный пункт, в состав которого входят один или несколько фотоприемников 4, электронный блок 5 и генератор звука 6 (наушники или громкоговоритель). При вибрациях стекла изменяется фаза световых колебаний, попадающих на фоточувствительный элемент в точке приема. Сигналы от него в электронном блоке усиливаются, фильтруются, детектируются и записываются, а также могут быть прослушаны через наушники 6."
Оптико акустический(лазерный) микрофон
До сих пор мы рассматривали в основном пассивные акустические сенсоры, "пассивные" в том плане, что акустические сигналы к ним приходят "со стороны", а сенсоры их лишь воспринимают. Однако разработаны и широко используются также и активные акустические сенсоры. Из них мы кратко рассмотрим эхолокатор ы и диагностические ультразвуковые приборы.
Эхолокаторы,
Преимущество в эхолокации обычно отдают ультразвуковым (далее УЗ) волнам, поскольку они
УЗ волны средних и высоких частот довольно сильно поглощаются и быстро затухают в воздухе и газах. Поэтому для эхолокации в воздухе применяют преимущественно низкочастотные УЗ волны.
. Эхолотами называют все сенсоры, которые действуют по принципу восприятия звуков, отраженных от расположенных поодаль предметов, т.е. по принципу эха (от греческого "эхо" – отраженный звук, отзвук, отклик).
В гидролокации названия "гидролокатор" и "эхолокатор", "эхолот", "сонар" стали практически синонимами .
Излучатель и приемник УЗ волн, как правило, находятся в одном корпусе вместе с необходимой для измерений электроникой и с элементами, обеспечивающими направленность – концентрацию излучаемых и принимаемых УЗ волн в определенном секторе пространства.
Распространяясь в воде, волны натыкаются на имеющиеся в ней объекты, отражаются и рассеиваются ими. Часть отраженных и рассеянных УЗ волн в значительно ослабленном виде возвращаются назад к акустической антенне Пусть 
– это минимальная дальность, которую "просматривает" или "прослушивает" гидролокатор. УЗ волна проходит до объектов, удаленных на такое расстояние, и обратно за время
(4.3)
Здесь 
– это скорость распространения УЗ волн в воде. Длительность зондирующего УЗ импульса не должна превышать это время, поскольку иначе сигналы, отраженные от наиболее близких целей, не будут приняты.
Пусть 
– это максимальная дальность, которую "просматривает" или "прослушивает" гидролокатор. УЗ волна проходит расстояние до самых удаленных объектов и обратно за время
(4.4)
Период посылки зондирующих УЗ импульсов не должен быть меньше этого времени, поскольку иначе сигналы, отраженные от наиболее далеких целей, тоже не будут приняты. Таким образом, диапазон расстояний до объектов, обнаруживаемых гидролокатором (от 
до 
), максимальная длительность зондирующих УЗ импульсов 
и минимальный период их излучения 
однозначно между собой связаны.
Одним из применений эхолокации уже не в воде, а в воздухе, является УЗ выявление присутствия объекта в контролируемой зоне и измерение расстояния до него. Особенно важным становится это в сложных условиях густого тумана, задымленности, запыленности и т.п., когда оптические методы "работают" плохо. А для УЗ волн это все – не помеха. В качестве источника ультразвука чаще всего применяют пьезоэлектрические преобразователи.
По измеренному времени запаздывания 
рассчитывается расстояние до объекта
(4.5)
где 
– скорость распространения ультразвука в воздухе.
Как и в гидролокации, длительность импульсов 
определяет минимальное расстояние до объекта, которое можно измерить,
(4.6)
Частота зондирования 
определяет максимальное расстояние, которое можно измерить
(4.7)
От частоты зондирующих УЗ волн 
зависит длина волны
(4.8)
и определяемая этим разрешающая способность сенсора, т.е. минимальные размеры объектов, присутствие которых еще можно зафиксировать. В воздухе на частоте выше 340 кГц длина волны составляет менее 1 мм.
Рис . Эхолот для летней рыбалки,
Ультразвуковое исследования в медицине.
Одним из важных видов эхолокации являются ультразвуковые исследования внутренних органов человека, которые широко применяют в медицине. Скорость распространения УЗ волн в тканях человеческого тела составляет около 1540 м/с, т.е. близка к скорости в водной среде. Но из-за акустической неоднородности человеческого тела на границах раздела органов и тканей с разной плотностью и упругостью, происходит частичное отражение, рассеяние и преломление УЗ волн. Чем больше перепад плотности, тем выше амплитуда отраженной УЗ волны. Это и позволяет определять, а потом и воссоздавать в виде изображения пространственные границы между органами, тканями и разными структурными элементами тканей, их форму, размеры, взаимное расположение, локальные особенности. Применяя УЗ волны высокой частоты (1-15 МГц), удается достичь высокой разрешающей способности – до 0,1 мм. При отражении от подвижных объектов (дыхательные перемещения грудной клетки, диафрагмы, сокращения сердца, пульсация артерий, продвижение крови по сосудам и т.п.) изменяется частота отраженной УЗ волны (эффект Доплера). Измеряя величину изменения частоты, можно вычислить соответствующую скорость движения и визуально выделять участки внутренних органов, которые двигаются с разной скоростью, – даже довольно медленно (меньше 1 см/с).
Современные методы ультразвука в медицине направлены преимущественно на улучшение изображения, адаптации его к физиологии восприятия исследователя, увеличение разрешающей способности датчиков, повышение частоты ультразвуковых волн.
УЗ исследования для сейсморазведки
Известен метод спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП). Он состоит в том, что вертикально вглубь земли от мобильного ССП сенсора посылается импульсный акустический зондирующий сигнал. Затем "прослушивается" и записывается его растянутый во времени "отклик" – слабые вторичные акустические волны, возбужденные этим сигналом в земной коре. Они принимаются пьезоэлектрическим пленочным датчиком, который (это принципиально важно!) не имеет собственных резонансных частот. После усиления и фильтрации эхо-сигналов интеллектуальный сенсор выполняет их спектральный анализ. В спектре полученного сейсмического отклика слоям недр, которые находятся на большей глубине, соответствуют все более низкие частоты в спектре. Потом сенсор перемещают на определенное расстояние по горизонтали в заданном направлении "разреза", и повторяют измерения. Результаты многих последовательных измерений сводят вместе и строят "ССП-разрез" геологической структуры.
Разрез спектрального сейсморазведочного профилирования при пересечении Зоны Тектонического Нарушения
В 1993 году выяснилось, что при использовании спектральной сейсморазведки (метод спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП)) оказалось возможным выявлять зоны тектонического нарушения (ЗТН). ЗТН проявляется на ССП-разрезах воронкообразным (V-образным) объектом.
Исследование, описанное в статье про акустические сенсоры, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое акустические сенсоры, микрофон, гидрофон, стетоскоп, эхолокатор и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Датчики и сенсоры, Технические измерения и измерительные приборы
Комментарии
Оставить комментарий
Датчики и сенсоры, Технические измерения и измерительные приборы
Термины: Датчики и сенсоры, Технические измерения и измерительные приборы