Акустические средства измерений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция

АКУСТИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ



Введение

Акустические средства измерений можно условно разделить на несколько групп:

1) излучатели звука;

2) приемники звука связи;

3) акустические камеры;

4) акустические приборы и системы;

Условность такого разделения объясняется тем, что, например, разделение на приемники и излучатели звука для некоторых (обратимых) электроакустических преобразователей носит условный характер, ибо один и тот же преобразователь может работать как в режиме излучения, так и в режиме приема звука. Кроме того, акустические приборы и системы обычно включают в себя излучатели и приемники звука, а при постановке измерительных экспериментов и акустические камеры связи.

К излучателям звука относятся электроакустические преобразователи, работающие в режиме излучения звука: громкоговорители, образцовые источники шума, гидрофоны и т.п.

К приемникам звука относятся микрофоны и гидрофоны.

К акустическим камерам связи относятся заглушенные камеры, реверберационные камеры и камеры малого объема.

Акустические приборы и системы составляют наиболее многообразную группу измерительных средств. Сюда относятся метрологические акустические средства: акустические трубы, акустический радиометр, пистонфон, установки для поверки, калибровки и градуировки акустических приборов и т.п. В эту же группу входят измерительные установки, включающие в себя акустические камеры связи и разнообразные акустические приборы. Отдельную многочисленную группу составляют гидроакустические измерительные средства: эхолоты, лаги, гидролокаторы, шумопеленгаторы и т.д.

Кроме того существуют многочисленные акустические средства измерений в различных сопрягающихся с акустикой прикладных областях, как, например, акустооптика, акустоэлектроника, ультразвуковая диагностика и т.д.

Ниже рассматриваются лишь некоторые наиболее важные для акустических измерений приборы и устройства.



1. Электроакустические преобразователи

Вся современная техническая акустика основывается на процессах преобразования энергии электрических колебаний в энергию звуковых или механических колебаний и обратно. Устройства, применяемые для возбуждения и приема звука (упругих колебаний и волн) в газообразных, жидких и твердых средах называют акустическими преобразователями или в отдельности излучателями и приемниками звука. Излучатели звука преобразуют в энергию звукового поля энергию какого-либо другого вида, а приемники осуществляют обратное, т.е. преобразуют энергию звукового поля в другую энергию.

Существует множество различных видов преобразователей упругих колебаний и волн. Наибольшее распространение в качестве преобразователей получили электроакустические преобразователи (ЭП) - устройства, преобразующие электрическую энергию в акустическую и обратно.

ЭП можно разделить на два класса: обратимые и необратимые (вентильные).

Типичным примером вентильного приемника является угольный микрофон.

К наиболее распространенным обратимым электромеханическим преобразователям относится пьезоэлектрические, магнитострикционные, электродинамические, электростатические преобразователи.

В преобразователях предназначенных для излучения монохромного сигнала используется явление резонанса: они работают на одном собственных колебаниях механической системы, на частоту которых настраивается генератор электрических колебаний, возбуждающий преобразователь.

К основным характеристикам ЭП относятся:

- диапазон рабочих частот;

- динамический диапазон;

- номинальная мощность;

- чувствительность;

- нелинейные искажения;

- диаграмма направленности излучения;

- электроакустический к.п.д.;

- электрические параметры (импеданс, емкость и т.д.);

- габариты и эксплуатационные особенности.

Для резонансных электроакустических преобразователей рабочей частотой является собственная частота и ширина полосы пропускания

,

где - добротность. Обратимые преобразователи в режиме приема акустического сигнала позволяет воспроизводить временную форму сигнала и, следовательно, получить сведения о его фазе, частоте и спектре.

ЭП в основном линейны, т.е. удовлетворяют требованию неискаженной передачи сигнала, и обратимы, т.е. могут работать и как излучатели, и как приемники и подчиняются принципу взаимности.

В большинстве случаев преобладает преобразование в механическую энергию либо энергию электрического или магнитного поля (и обратно), соответственно чему обратимые ЭП могут быть разбиты на две основные группы. К первой группе ЭП относятся электродинамические, электростатические и пьезоэлектрические преобразователи, ко второй - электромагнитные и магнитострикционные.

Принцип действия электродинамических излучателей основан на взаимодействии переменного электрического тока с магнитным полем. Основа конструкции электродинамического излучателя - помещенный в постоянное магнитное поле проводник (в виде витка или катушки), по которому протекает переменный ток (ток возбуждения). Переменная сила, возникающая при этом, вызывает колебания с частотой тока подвижной системы излучателя. В подвижную систему, помимо проводника с током входит связанное с ним излучающее устройство в виде диафрагмы или твердого тела какой-либо другой формы, например, в виде бумажного диффузора в громкоговорителях или металлической мембраны в рупорных громкоговорителях.

Электродинамические приемники основаны на электромагнитной индукции. При этом в катушке, связанной с колеблющейся под действием звука диафрагмой (или непосредственно с твердым телом, в котором распространяется упругая волна), вследствие эффекта электромагнитной индукции находится электродвижущая сила.

Действие электростатических преобразователей основано на изменении заряда или напряжения (следовательно, емкости) при относительном перемещении обкладок конденсатора (в режиме приема) или изменения силы притяжения обкладок с напряжением (в режиме излучения). Для преобразования (измерения) изменений емкости в электрический сигнал к неподвижному электроду электростатического проводника обычно подводится постоянное напряжение U₀=100-200 В и переменное электрическое напряжение U_~, пропорциональное смещению подвижного электрода, снимается с включенного последовательно с конденсатором нагрузочного сопротивления.

Пьезоэлектрические преобразователи основаны на прямом (в пьезоэлектрических приемника) и обратном (в излучателях) пьезоэлектрическом эффекте.

Основой пьезоэлектрического преобразователя является пьезоэлемент, изготовленный из пьезоэлектрического материала, - деталь простой геометрической формы (пластина, диск, стержень, цилиндр и т.п.) с нанесенными на ее поверхность электродами. С электродов пьезоэлемента снимается электрический заряд, образующийся при прямом пьезоэффекте (режим приемника), или к ним подводится электрическое напряжение для создания деформации в результате обратного пьезоэффекта (режим излучателя). Пьезоэлектрические излучатели и приемники конструктивно идентичны.

В зависимости от назначения и диапазона рабочих частот используются различные пьезоэлектрические материалы. Наиболее широкое распространение получила пьезокерамика.

В зависимости от диапазона частот, назначения и условий работы применяются различные геометрические формы пьезоэлементов.

Действие электромагнитных преобразователей основано на взаимодействии магнитного поля катушки, по обмоткам которых протекает ток возбуждения (в режиме излучателя) с ферромагнитным сердечником.

Магнитострикционные преобразователи действуют на эффекте магнитострикции (деформирование тел при изменении их магнитного состояния). Магнитострикционный преобразователь представляет собой сердечник из магнитострикционных материалов (ферриты и ферромонетики) с нанесенной на него обмоткой. В излучателе такого типа энергия переменного магнитного поля, создаваемого в сердечнике протекающим по обмотке переменным электрическим током, преобразуется в энергию упругих колебаний сердечника.

В приемнике энергия упругих колебаний, возбуждаемых действующей на сердечник внешней переменной силой, преобразуется в энергию магнитного поля, наводящего электродвижущую силу в обмотке. Материалом для таких преобразователей в ультразвуковой технике обычно служит никель, пермендюр, никель-кобальтовые и железоникелевые сплавы, а также керамические вещества на основе феррита никеля.

Для возбуждения и приема упругих колебаний и волн используются также другие типы преобразователей, например, термические и оптические приемники, лазерный метод возбуждения, механические (газоструйные и гидродинамические) излучатели

Выбор тех или иных видов преобразователей осуществляется в зависимости от поставленной задачи частотного диапазона, необходимой мощности, к.п.д. преобразователя и т.п. Приведем основные характеристики некоторых типов электроакустических преобразователей.

Преобразователь	Частотный, диапазон, Гц	к.п.д., %	Удельная мощность, Вт/см2
Электродинамический	10-104	10	1
Пьезоэлектрический	102-109	40-70	10
Магнитострикционный	104-105	50	20

Как видим, для возбуждения и приема ультразвуковых колебаний в диапазоне частот свыше 10⁵ гц пригодны только пьезоэлектрические преобразователи, а ниже 100 Гц - электродинамические. Для получения максимальной удельной мощности целесообразно использовать магнитострикционные преобразователи.

При определении физико-механических свойств твердых тел, например, стержня, методом свободных колебаний желательно применять бесконтактные (например, электростатические или оптические) методы возбуждения и регистрации ультразвуковых колебаний, поскольку в них контакт стержня с любым другим телом, например, преобразователями, приводит к дополнительным потерям, и следовательно, к искажению результатов измерений.

2. Микрофоны

Микрофон (от микро... и греч. phфnз -- звук), электроакустический прибор для преобразования звуковых колебаний в электрические. Применяется в телефонии, радиовещании, телевидении, системах звукоусиления и звукозаписи.

Микрофон должен иметь достаточную чувствительность при выполнении измерений, малые нелинейные искажения в измерительном тракте и стабильную чувствительность. При внесении в звуковое поле микрофон должен мало искажать его. Испытания микрофонов регламентированы ГОСТ 16123 - 70. «Микрофоны. Методы электроакустических испытаний».

На рис. 2.1 приведена классификация микрофонов по принципу электромеханического преобразования.

По направленности действия микрофоны подразделяются на ненаправленные, односторонне направленные (кардиоидные), двусторонне направленные и сложной формы направленности, а по характеру измеряемого параметра колебательного процесса - приемники давления, градиента давления и комбинированные.

Рис. 2.1. Классификация микрофонов по принципу электромеханического преобразования

Микрофон характеризуется следующими параметрами:

1) осевой чувствительностью, т.е. отношением эффективных значений развиваемого микрофоном напряжения и звукового давления в свободном поле при падении гармонической волны по направлению акустической оси микрофона; 2) направленностью, т.е. распределением чувствительности микрофона при падении звуковой волны под различными углами и отнесенной к его осевой чувствительности; приемники звука (аналогично акустическим излучателям) обладают направленностью, если их размеры соизмеримы или превышают длину звуковой волны;

Характеристики направленности микрофонов имеют вид (рис. 2.2.).

Рис. 2.2. Характеристики направленности микрофонов

В конструкции приемника давления звуковые волны воздействуют только с одной стороны (рис. 2.3)

Рис. 2.3. Конструкция приемника давления

В конструкции приемника градиента давления механическая система открыта с двух сторон (рис. 2.4.).



Рис. 2.4. Конструкция приемника градиента давления

Благодаря одинаковому давлению шума с обеих сторон происходит его компенсация, вследствие чего достигается эффект шумозащищённости.

3) коэффициентом направленности, которым является энергетическая характеристика, оценивающая суммарную характеристику направленности сравнительно с ненаправленным микрофоном;

4) уровнем собственных шумов микрофона N_m, определяемым относительно эффективного напряжения U₀ (при звуковом давлении 0,1 Па), возникающего под воздействием сигнала:

N_m = 20^. lg(U₀ / U_m),

где U_m - напряжение помех при отсутствии полезного сигнала.

Зависимость указанных параметров от частоты определяет соответствующие частотные характеристики микрофона.

Ниже в таблице приведены усреднённые значения основных параметров отдельных видов микрофонов (в скобках указаны классы качества: Вк -- высший, 1к -- первый, 2к -- второй, 3к -- третий).

Тип микрофона	Параметры
	Диапазон воспроизводимых частот, Гц	Неравномерность частотной характеристики, дб	Осевая чувствительность на частоте 1000 гц, мв•м2/н
Угольный	300 - 3 400 (3к)	20	1000
Электродинамический катушечного типа	100 - 10 000 (1к)	12	0,5
	30 - 15 000 (Вк)		1,0
Электродинамический ленточного типа	50 - 10 000 (1к)	10	1,0
	70 - 15 000 (Вк)		1,5
Конденсаторный	30 - 15 000 (Вк)	5	5
Пьезоэлектрический	100 - 5 000 (2к)	15	50
Электромагнитный	300 - 5 000	20	5

Электродинамический катушечный микрофон. Изобретен американскими учёными Э. Венте и А. Терас в 1931. Принцип действия микрофона основан на использовании явления электромагнитной индукции, т. е. возбуждение ЭДС при движении проводника в постоянном магнитном поле.

В конструкции микрофона имеется диафрагма из тонкой полистирольной плёнки или алюминиевой фольги, жестко связанная с катушкой из тонкой проволоки, находящейся в кольцевом зазоре магнитной системы (рис. 2.5). Катушка жестко связана с диафрагмой, которая закреплена на верхнем фланце с помощью гофрированного гибкого подвеса и может колебаться в зазоре только вдоль оси. Для создания постоянного магнитного поля используется кольцевой магнит и магнитопровод (верхний, нижний, фланец и керн) из мягких материалов (Ni, Fe).

При колебаниях диафрагмы под действием звуковой волны витки катушки пересекают магнитные силовые линии и в катушке наводится э.д.с., создающая переменное напряжение на её зажимах.



Рис. 2.5. Электродинамический катушечный микрофон

Развиваемое микрофоном напряжение повышается малогабаритным трансформатором, конструктивно объединенным с микрофоном. Чувствительность микрофона определяется:

B - индукцией в зазоре;

S - действующей поверхностью диафрагмы;

R_n - сопротивлением, шунтирующее обмотку входного трансформатора;

,s - длиной и поперечным сечением проводника звуковой катушки;

- удельным сопротивлением проводника;

_r - частотой;

М - массой подвижной системы.

Нижний граница частотной характеристики ограничена увеличением массы катушки и увеличением гибкости подвеса. Для расширения полосы частот в конструкцию микрофона вводят дополнительный резонатор, размещенный в магнитопроводе (трубочка). При этом нижняя граница расширяется до 100 - 50 Гц, а верхняя граница - до 8000 - 1000 Гц. С использованием специальных материалов магнита и магнитопровода верхняя граница достигает до 15000 Гц.

Электродинамические микрофоны широко распространены благодаря достаточно широкому диапазону частот (при неравномерности 4 дБ), низкому уровню шума и незначительным нелинейным искажениям. Благодаря этим качествам динамический диапазон микрофона находится в пределах 15-140 дБ. У электродинамических микрофонов небольшое внутреннее сопротивление, поэтому кабель, соединяющий микрофон с усилителем, не вносит заметных искажений в частотную характеристику. Катушечный микрофон прост по конструкции, имеет небольшие габариты, надёжен в эксплуатации.

К недостаткам микрофона относятся его восприимчивость к внешним магнитным полям, индуктирующим э.д.с. в катушке, способность притягивать мелкую стальную пыль и ограниченный интервал температуры и влажности, в пределах которых характеристики микрофона остаются неизменными.

Электродинамический ленточный микрофон. Изобретён немецкими учёными Э. Герлахом и В. Шотки в 1924. Роль диафрагмы выполняет проводник в виде тонкой гофрированной ленточки из очень тонкой (порядка 2 мкм) алюминиевой фольги, которая колеблется в постоянном магнитном поле. Ленточка может подвергаться воздействию звука как с одной, так и с обеих сторон. В первом случае - приемник давления, во втором - приемник градиента давления.

Конструкция ленточного микрофона (рис. 2.6) состоит из:



Рис. 2.6. Электродинамический ленточный микрофон

1) диафрагмы - ленточки 1 (алюминий гофрированный, резонансная частота 30 Гц; длина 5-10 см; сопротивление 1/10 Ом);

2) постоянного магнита 2 ( индукция в зазоре B=1 Тл.);

3) полюсного наконечника 3 с окнами;

4) камеры;

5) лабиринта (длинная трубка, соединенная с камерой, свернутая в спираль или другим образом, заполненная поглощающим материалом (комки пощипанных нитей шелка), представляет собой акустический фильтр низких частот.

6) изоляционных планок 6, к которым крепится ленточка.

Обычно используется приемник градиента давления - под действием разности звуковых давлений ленточка колеблется в магнитном поле, силовые линии которого идут вскользь по ширине ленточки.

Полюсные наконечники образуют щель, в которой размещается ленточка. В них сделан ряд окон (отверстий), чтобы уменьшилась разность хода звуковых волн, действующую на ленточку с обеих сторон. Расстояние между отверстиями вместе с ленточкой 2a не превышает 1,7 см, что обеспечивает линейность чувствительности до 15 кГц.

Поскольку электрическое сопротивление ленточки мало (доли Ома), то для согласования с внешней цепью используется трансформатор с сопротивлением выходной обмотки 125 - 250 Ом. Стандартный уровень чувствительности - 57 дБ. Частотный диапазон микрофона составляет 50-16000 Гц. Неравномерность частотной характеристики - не более 8дБ. Характеристика направленности микрофона - кардиоида.

Уязвимое место микрофона - ленточка, рвётся от сильного дуновения ветра. Поэтому микрофон применяется, главным образом, в помещениях (музыкальные студии и т.д.)

Конденсаторный микрофон. Изобретён американским учёным Э. Венте в 1917. Является лучшим среди других по своим качественным показателям..

Конструкция конденсаторного микрофона (рис.2.7) представляет собой конденсатор, один из электродов которого массивный - 3, а второй тонкая натянутая мембрана - 1.

Рис. 2.7. Измерительный конденсаторный микрофон.

Диафрагма помещена над неподвижным плоским электродом, так что зазор - d между ними весьма мал. Диафрагма электрически соединена с корпусом микрофона и сильно натянута. Диафрагма, обладающая высокой упругостью, изготавливается либо из стальной фольги, покрытой слоем золота, либо из металлизированной полимерной плёнки и имеет толщину 2030 мкм. Зазор d составляет 2040 мкм.

Неподвижный электрод 3 изолирован от корпуса высококачественным изолятором (янтарь, кварц). Электроды через нагрузочное сопротивление R_н соединены с источником поляризующего постоянного напряжения U_о.

При колебаниях диафрагмы под действием внешнего акустического поля изменяется ёмкость С_о между диафрагмой и неподвижным электродом. А так заряд q остаётся постоянным из-за большой постоянной времени , то изменяется напряжение на нём ДU, равное э.д.с. от действия звукового давления на диафрагму. В результате изменения реактивного сопротивления цепи напряжение на выходе изменяется пропорционально смещению мембраны.

Особенностью микрофона является расположение усилителя в непосредственной близости от капсюля микрофона (С_о мало).

Область использования конденсаторного микрофона:

1) измерительные микрофоны с диапазоном частот Дf от 20ч30 Гц до 30ч40 кГц при неравномерности частотной характеристики до 1дБ в диапазоне до 10 кГц и 6дБ свыше 10 кГц;

2) высококачественные системы звукозаписи и звукопередачи в диапазоне частот Дf = 20 ч 20000 Гц при неравномерности частотной характеристики 6дБ;

3) комбинированные приёмники с диапазоном частот Дf = 50 ч 15000 Гц при неравномерности частотной характеристики 6дБ.

Выражение для чувствительности имеет вид:

E 4C₀C₁U₀ ,

где С₀ - емкость конденсатора мембрана - неподвижный электрод;

С₁ - результирующая гибкость;

U₀- поляризующее напряжение.

Наружные диаметры эталонных микрофонов 23,77; 13,2 и 7 мм. Они обеспечивают преобразование звуковых волн в диапазоне частот от 2 Гц до 100 кГц.

Для конденсаторных микрофонов характерны постоянная чувствительность в широком диапазоне частот, малый уровень шума и незначительная зависимость чувствительности от температуры. Они являются точными измерительными приборами, поэтому с ними надо бережно обращаться. Наиболее уязвимой частью микрофона является мембрана, изготовленная электролитическим методом, толщиной порядка 2 - 6 мкм .

Для калибровки измерительных микрофонов применяют вспомогательные устройства - электростатистический возбудитель, пистонфон - калибратор, шариковый и тональный калибратор и др.

Технические требования к измерительным микрофонам изложены в государственном стандарте, в котором предусмотрена стандартизация характеристик измерительных микрофонов, методов их градуирования и областей применения ГОСТ 8.153.

Недостатки микрофона: микрофон чувствителен к сильному перепаду температур, со временем ослабевает натяжение мембраны, слабеет изоляция, появляется треск.

Электретный микрофон. Изобретённым японским учёным Ёгути в начале 20-х гг. 20 в. По принципу действия и конструкции схож с конденсаторным.

Роль неподвижной обкладки конденсатора и источника постоянного напряжения играет пластина из электрета. Поляризующее напряжение образовано предварительной электризацией одного из электродов, изготавливаемого из полимеров или керамических поляризующихся материалов. Такой электрод имеет металлическое покрытие, которое является электродом конденсатора, а электрет служит источником поляризующего напряжения. Частотный диапазон микрофона - 50 ч 15000 Гц при неравномерности частотной характеристики 1015дБ, уровень собственного шума - 2738 дБ. Механические, акустические характеристики аналогичны конденсаторному микрофону.

Недостаток микрофона - старение электрета.

Пьезоэлектрический микрофон. Впервые сконструирован советскими учёными С. Н. Ржевкиным и А. И. Яковлевым в 1925. Также широко используются в акустических измерениях. Они прочнее конденсаторных, имеют малый вес и обладают более равномерной частотной характеристикой, чем электродинамические микрофоны, они дешевле микрофонов других типов.

В пьезоэлектрическом микрофоне используется явление пьезоэффекта: звуковые волны воздействуют на пластинку из пьезокристалла (например из сегнетовой соли), вызывая на её поверхности появление электрических зарядов - прямой пьезоэффект.

Существует две разновидности конструкции микрофона: ячейковая ( рис. 2.8) и мембранная (рис. 2.10).

В конструкции ячейкового пьезомикрофона внутри прямоугольной рамки 1 (текстолит) размещают два биморфных элемента 2, разделённых прокладками 3 из вязкого материала (висколоид). На верхние и нижние поверхности рамки и пьезоэлементов наклеивается парафиновая бумага для механического скрепления и изоляции объёма 4.

Рис. 2.8. Ячейковый пьезомикрофон



Две пластинки биморфного элемента (рис. 2.9) склеиваются так, что электрическая поляризация противоположна. Если подать напряжения, то одна пластинка стремится растянуться, а другая сжаться. Но так как они склеены и не могут двигаться одна относительно другой, то совершаются колебания изгиба. Материалом для биморфных элементов служит пьезокерамика ТБК-3, ЦТС-19 и других материалов.

Рис. 2.9. Биморфный элемент

Частотный диапазон микрофона - 50 ч (7000 ч 8000) Гц при неравномерности частотной характеристики 6 дБ.

В конструкции мембранного пьезомикрофона (рис. 2.10) лёгкая коническая диафрагма 1 бумага, соединена вершиной конуса с биморфом 2, концы которого закреплены на опорах 3. Так как в механическую систему добавилась диафрагма, то частота механического резонанса системы ниже, чем у ячейкового микрофона. Современные пьезоэлектрические микрофоны обладают диапазоном частот 3...20000 Гц и могут работать в интервале температур от -10 до +70 ⁰С. Пьезоэлектрические микрофоны имеют широкий круг применения и, в частности, используются в портативных шумомерах. Недостатки пьезомикрофона:

1) старение пьезоматериала;

2) зависимость характеристик от температуры;

3) высокое собственное ёмкостное сопротивление, дающее неравномерность частотной характеристики;

4) хрупкость;

5) сложность механической системы.



Рис 2.10. Мембранный пьезомикрофон.

Электромагнитный микрофон. В электромагнитном микрофоне конструкции приемника давления (рис. 2.11) звуковые волны воздействуют на диафрагму 3.

Рис. 2.11. Электромагнитный микрофон конструкции приемника давления

При колебании диафрагмы изменяется воздушный зазор 5 в магнитной цепи между диафрагмой 3 и полюсным наконечником керна 4. Изменение этого зазора приводит к модуляции магнитного потока, который создается постоянным магнитом 2, сделанным из высококоэрцитивных материалов (сплавы Al и Ni). Магнитный поток проходит через сердечник катушки, полюсный наконечник, воздушный зазор и диафрагму. Сердечник и диафрагму изготавливают из мягкого магнитного материала (FeNi сплавы). При изменении магнитного потока, протекающего через сердечник 8, в катушке 1 возникает э.д.с.

В конструкции микрофона имеется также резонатор Гельмгольца, включающий в себя отверстия в амбушуре 6 и надмембранный объём 7.

Частотная характеристика микрофона равномерна до частоты 1000 Гц. Неравномерность частотной характеристики составляет около 4 дБ/окт., уровень чувствительности - 45 дБ, диапазон частот - 250 ч 5000 Гц.

Помимо конструкции приемника давления находит также применение конструкция приемника градиента давления (рис.2.12).

Рис. 2.12. Конструкция приемника градиента давления

Электромагнитный микрофон используют, как правило, для передачи речи. При этом микрофон располагают вблизи говорящего 2-2,5 см, на оси рта, чтобы отсутствовали завихрения при произношении взрывных звуков речи.

Электромагнитные микрофоны применяются главным образом в радиолюбительских устройствах и слуховых аппаратах.

Порошковый угольный микрофон. Впервые сконструирован русскими изобретателями М.Махальским в 1878 и независимо от него П.Голубицким в 1883.

Принцип действия микрофона (рис. 2.13)

Рис. 2.13. Порошковый угольный микрофон

Основан на свойстве угольного порошка изменять своё сопротивление в зависимости от силы сжатия зёрен, составляющих порошок. В микрофоне токопроводящая угольная или металлическая диафрагма (мембрана) под действием звуковых волн колеблется, изменяя плотность и, следовательно, электрическое сопротивление находящегося в капсюле и прилегающего к мембране угольного порошка.

Вследствие этого сила тока, протекающего через микрофон, также изменяется. Образуется пульсирующий ток, который в простейшем случае, протекая по проводной линии к телефону, вызывает колебания мембраны последнего, соответствующие колебаниям мембраны микрофона.

Полоса частот микрофона составляет Дf = 300 ч 3400 Гц, а коэффициент нелинейных искажений - 15ч20%. Управляющий параметр - плотность засыпки порошка: с увеличением плотности - уменьшается ток и улучшается частотная характеристика, чем меньше плотность - тем больше ток, но частотная характеристика ухудшается. Шум обусловлен трением между зёрнами. В результате многолетнего улучшения конструкции и электрических параметров микрофона с угольным порошком был создан микрофон капсюльного типа, широко применяемый в телефонии.



3. Образцовый источник шума

Образцовый источник шума должен излучать постоянный широкополосный шум без дискретных и узкополосных составляющих в диапазоне от 100 до 10000 Гц. Показатель направленности не должен превышать 6дБ. Он должен иметь размеры, не превышающие 0,5 м и должен быть установлен на виброизолирующих прокладках. Отклонение уровней звуковой мощности образцового источника шума из-за изменений условий его работы не должен быть более 0,5 ... 1,0 дБ.

В паспорте образцового источника шума должны быть указаны:

уровни звуковой мощности (L_PR, дБ) в октавных и треть октавных полосах частот;

корректированный уровень звуковой мощности L_PAR;

показатель направленности излучения в треть октавных полосах частот в вертикальной и горизонтальной плоскостях, G, дБ;

уровень звука в контрольной точке измерения;

координаты контрольной точки измерения относительно образцового источника шума.

Эти характеристики источника должны быть определены точным методом при его установке на звукоотражающей плоскости.

Уровни звукового давления на всех октавных полосах должны быть достаточно велики, чтобы превосходить уровни помех на 10 дБ и более. Источник шума модель А-2, разработанный во ВНИИФТРИ, действует в диапазоне частот 125 Гц - 3 кГц. На расстоянии 1 м излучатель обеспечивает уровни 85 - 90 дБ относительно 210^-5 Па. В излучателе использован аэродинамический шум, создаваемый при вращении барабана с лопастями.

Поверка образцового источника шума осуществляется согласно МИ 305 .



4. Громкоговорители

Громкоговоритель - это преобразователь электрических низкочастотных колебаний в звук для излучения звука в окружающее воздушное пространство. Громкоговоритель, как правило, является частью акустической системы.

Акустической системой называется акустическое устройство, содержащее один или несколько громкоговорителей, акустическое оформление и электрические устройства (фильтры, трансформаторы и др.), и предназначенное для использования в качестве функционального звена в бытовой радиоэлектронной аппаратуре.

Сердцевиной громкоговорителя является его головка. Головка громкоговорителя - это электроакустический преобразователь, предназначенный для преобразования электрических сигналов звуковой частоты в акустические колебания. Головка громкоговорителя является одним из важнейших ключевых звеньев электроакустического тракта, т.к. её свойства оказывают большое влияние на работу тракта в целом.

Классификация головок громкоговорителей может быть проведена по ряду признаков.

1. По принципу действия электроакустического преобразователя головки подразделяются на четыре группы: индукционные, емкостные, пневматические и ионные.

Об индукционных и емкостных преобразователях было подробно рассказано в разделах 2.1 - 2.2.

Принцип действия пневматических преобразователей основан на модуляции потока воздуха с помощью колеблющейся заслонки, приводимой в движение электродинамическим излучателем.

Принцип действия ионных преобразователей основан на использовании ламп тлеющего разряда. Ионные головки являются оптимальными с точки зрения согласования с рабочей средой, благодаря отсутствию механических элементов и высокому качеству воспроизведения без искажений.

2. По способу трансформации акустической энергии различают головки

- прямого излучения (диффузорные), в которых поверхность диафрагмы излучает звук непосредственно в окружающую среду;

- рупорные, в которых диафрагма излучает звук в предрупорную камеру, где происходит усиление звукового давления.

3. По полосе передаваемых частот различают головки

- широкополосные от 40 ч 125 до 7100 ч 8000 Гц и более;

- низкочастотные от 20 ч 80 до 5000 Гц;

- среднечастотные от 200 до 4000 ч 7000 Гц;

- высокочастотные от 1000 ч 5000 Гц до 12500 ч 20000 Гц.

4. По форме диафрагмы головки бывают конусные, купольные и плоские.

5. По типу акустического оформления головки бывают

- для открытых акустических систем;

- для закрытых акустических систем;

- с фазоинвертором;

- для акустических систем с пассивным излучателем и другие.

6. По области применения головки предназначены

- для переносной радиоэлектронной аппаратуры;

- для стационарной радиоэлектронной аппаратуры;

- для высококачественных бытовых акустических систем;

- для студийной, концертной аппаратуры;

- для абонентских громкоговорителей и других применений.

Технические характеристики головок громкоговорителей включают в себя:

1) эффективный рабочий диапазон частот;

2) неравномерность частотной характеристики;

3) уровень характеристической чувствительности

где b₀ = 2•10^-5 Па•Вт, P - среднее звуковое давление

4) номинальное среднее звуковое давление;

5) полный коэффициент гармонических искажений при номинальной мощности;

6) номинальное электрическое сопротивление;

7) номинальная мощность, при которой нелинейные искажения не превышают требуемых;

8) предельная шумовая мощность, при которой головка может длительное время работать без механических и тепловых повреждений;

9) максимальная долговременная мощность;

10) частота основного резонанса;

11) полная добротность и другие.

Общие технические условия на головки громкоговорителей приведены в ГОСТ 4.383.001-85. «Головки громкоговорителей динамические: общие технические условия».

Динамический диффузионный громкоговоритель (рис. 2.15). Принцип действия обратен принципу действия электродинамического микрофона. Механическая подвижная система состоит из диффузора с катушкой и креплений.



Рис. 2.15. Динамический диффузорный громкоговоритель: 1 - звуковая катушка; 2 - диффузор; 3 - подвес диффузора; 4 - корпус; 5 - шайба; 6 и 8 - фланцы; 7 - магниты; 9 - керн; 10 - кольцевой зазор; 11- отверстия для выхода тыльного излучения.

Катушка с проводом 1 находится в радиальном магнитном поле, создаваемым постоянным магнитом 2 и магнитопроводом, состоящим из фланцев 3,4 и керна 5. При пропускании через нее переменного тока она испытывает действие электромагнитной силы, которая приводит в движение диффузор 6, жестко определенный с катушкой 1 и подвешенный к корпусу 7 по внешнему краю 8 и центрируемый гибким подвесом (шайбой) 9. Вследствие этого диффузор является поршневым излучателем и имеет одну степень свободы колебаний (по осевому направлению).

5. Шумомеры и анализаторы спектра

Для измерения характеристик шума используются шумомеры, анализаторы и измерительные тракты, удовлетворяющие требования ГОСТ 17187-81(СТ СЭВ 1351-78), а также полосовые фильтры по ГОСТ 17168-82 (СТ СЭВ 1807-79).

Устройство шумомеров. Измерения уровня звукового давления - воздушного шума, производятся с помощью специальных приборов - шумомеров. Общая схема шумомера выбрана так, чтобы его свойства приближались к свойствам человеческого уха. Чувствительность уха зависит от частоты звука, а вид этой зависимости изменяется с изменением интенсивности измеряемого шума (звука).

Шумомер содержит ненаправленный измерительный микрофон, усилитель, корректирующие RС-фильтры, детектор и стрелочный прибор -- индикатор. Шкала прибора градуируется в децибелах относительно среднеквадратического уровня звукового давления 2^.10^-5 Па.

Шумомер снабжён ступенчатым делителем (через 10 или 20 дБ) напряжения - аттенюатором. Иногда применяют два аттенюатора для предотвращения перегрузок. Это позволяет использовать шумомер в динамическом диапазоне от 20 до 140 дБ. Обычно питание шумомеров осуществляется от батарей.

Измеряемый уровень звукового давления определяется суммированием показаний аттенюаторов и индикатора. Для оценки пульсирующих шумов шумомер имеет регулировку демпфирования стрелочного индикатора - "Быстро" и "Медленно".

Коэффициент усилительных устройств шумомера должен быть постоянным. В современных шумомерах имеется устройство для калибровки усиления электрического тракта.

Для единообразия и идентичности измерений требования к параметрам шумомеров обычного применения и прецизионных шумомеров регламентированы стандартами ГОСТ 17187-81 и Международной электротехнической комиссией (МЭК) МЭК 651 и МЭК 804. Требования МЭК регламентируют три частотные характеристики А, В и С для шумомеров, а также величину допусков на эти характеристики.

В шумомере имеются 3 комплекта фильтров, обеспечивающих нужную форму частотной характеристики: А - при малой громкости ~40 фон (используется в диапазоне 20--55 фон), В -- средней громкости ~70 фон (55--85 фон) и С -- большой громкости (85--140 фон). Характеристика при большой громкости равномерна в полосе частот 30--8000 гц.

Шкала А применяется также для измерения уровня громкости, выраженного в единицах -- децибел с пометкой А, т. е. дб (А), при любой громкости. Величиной уровня звука в дб (А) пользуются при нормировании громкости шума в промышленности, жилых домах и на транспорте. Переключение фильтров производится вручную в зависимости от громкости измеряемого звука (шума).

Выпрямленный квадратичным детектором сигнал усредняется за время, соответствующее постоянной времени уха 50--60 мсек (промежуток времени, в течение которого ухо вследствие своей инерционности воспринимает два отд. звуковых сигнала как один слитный). Шкала выходного прибора градуируется в децибелах относительно среднеквадратичного уровня звукового давления (2.10^-5 н/м²) по одной из трех шкал -- А, В или С.

Современный шумомер представляет собой компактный портативный прибор, питание которого осуществляется при помощи находящихся внутри сухих батарей. Микрофон, электронная схема и индикатор шумомера должны быть предельно устойчивы по отношению к изменениям температуры, влажности, барометрического давления, а также стабильны во времени.

Калибровка шумомеров. Перед измерением шумомер необходимо откалибровать с помощью специального акустического шумового или тонального калибратора или пистонфона, то есть установить номинальный коэффициент усиления измерительного тракта. Шумомеры калибруются следующим образом.

Регулятор калибровки шумомера устанавливается на значение, совпадающее со значением создаваемого пистонфоном уровня давления. По возможности калибровку следует проводить при частотном приведении LINEAR (линейно) шумомера. Приборы, в которых не предусмотрено такое частотное приведение, требуют согласования создаваемого пистонфоном уровня звукового давления путём использования корректирующего значения L(f). Для стандартных кривых приведения А, В, С и D действует:

L_A,B,C,D = L_LIN + L (f)_A,B,C,D

преобразователь волна спектрометр звуковой

При калибровке шумомеров, позволяющих измерять с приведением частоты, надо учитывать допуски кривых частотного приведения. Эти допуски входят в дополнительные погрешности.

В конструкциях современных шумомеров, как правило, предусматривается как измерение параметров шума, так и его спектральный анализ с использованием анализатора спектра.

Анализаторы спектра. Анализ периодических процессов осуществляется анализаторами гармоник, которые позволяют определить величину амплитуд колебаний, составляющих спектр и ширину полосы частот спектра.

Непериодические процессы, анализируются спектрометрами, позволяющими определить огибающую спектра и его интенсивность в пределах заданной полосы частот.

Любой анализатор спектра состоит из датчика, частотно-избирательной системы и индикатора. В качестве частотно-избирательной системы используются электрические и электромеханические резонансные устройства (колебательный контур, кварц, камертон, фильтр и т.п.). Индикатором спектра служат стрелочный прибор, электронно-лучевая трубка и т.д.

В панорамных анализаторах спектр регистрируется на электронно-лучевой трубке. В панорамных спектрометрах применяют как последовательный, так и одновременный частотный анализ.

Сущность одновременного частотного анализа заключается в том, что все частотные составляющие в определённой полосе частот выявляются одновременно. Для этого используют большое число резонаторов со смещёнными резонансными частотами, которые одновременно находятся под воздействием исследуемого сигнала. Анализирующие свойства этих приборов характеризуются шириной полосы пропускания частот, коэффициентом передачи, крутизной спада частотной характеристики, разрешающей способностью, динамическим диапазоном и временем анализа.

Применяемые для исследования шума и вибрации анализаторы спектра обычно имеют ширину прозрачности в одну октаву, Ѕ октавы или ¹/3 октавы. Чем уже полоса пропускания фильтра, тем больше сведений о спектре излучаемого колебательного процесса можно получить с его помощью. Уровень звукового давления в измеряемой частотной полосе относят к среднегеометрической частоте этой полосы.

При измерениях шума и звуковых вибраций исследования проводятся в восьми октавных полосах, охватывающих диапазон от 50 до 8000 Гц (см. табл. 2.1)

Таблица 2.1

Номер октавы	1	2	3	4	5	6	7	8
Среднегеометрические частоты октавных полос в Гц	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000

Современные шумомеры. Шумомер-анализатор спектра ОКТАВА-101AM предназначен для измерений звука, воздействующего на человека на производстве, в транспорте, в жилых и общественных зданиях и т.д. Прибор также может использоваться для измерения шумовых характеристик машин, измерения звукоизоляции, определения звуковой мощности, аттестации помещений. По дополнительному заказу прибор может дооснащаться опциями «Инфразвук», «Общая вибрация», «Локальная вибрация», «Ультразвук», «Мониторинг шума». ОКТАВА-101АМ является шумомером 1 класса по ГОСТ 17187, МЭК 60651/60804 и МЭК 61672-1. Встроенные октавные и 1/3-октавные фильтры прибора удовлетворяют 1-му классу по ГОСТ 17168 и МЭК 61260. Прибор может одновременно работать в режиме шумомера и анализатора спектра и позволяет за один сеанс измерить все многочисленные параметры, предписанные стандартами и санитарными нормами. Характеристики прибора:

Диапазон измерений 15*-146 дБА.

Цифровая обработка сигнала.

Одновременное измерение спектров уровней звукового давления в октавных и третьоктавных полосах частот, корректированных уровней звука, в том числе эквивалентных, большой динамический диапазон и т.д.

Все текущие результаты измерений можно записать в память прибора одним нажатием кнопки.

Прибор может соединяться с USB портом персонального компьютера типовым USB-кабелем.

Шумомер интегрирующий ШИ-01 предназначен для измерений уровней звука с частотными характеристиками А, С, общего уровня звукового давления звукового и инфразвукового диапазонов с частотной характеристикой ЛИН, уровней звукового давления в октавных и третьоктавных полосах.

Измеряемые характеристики:

Для частотных коррекций А, С, - уровни звука, для частотной коррекции ЛИН - общий уровень звукового давления (УЗД) звукового и инфразвукового диапазонов. Для всех частотных коррекций одновременно, в реальном времени вычисляются эквивалентные уровни и уровни с СКЗ детекторами медленно (S), быстро (F), импульс (I), максимальные и минимальные значения за время измерения.

Для октавных фильтров с номинальными средними геометрическими частотами 2; 4; 8; 16; 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000 Гц - эквивалентные УЗД, УЗД с детектором медленно (S), максимальные и минимальные значения во всех детекторах за время измерения - одновременно во всех полосах в реальном времени.

Для третьоктавных фильтров с номинальными средними геометрическими частотами 25; 31,5; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250; 315; 400,0; 500; 630; 800; 1000; 1250; 1600; 2000; 2500; 3150; 4000; 5000; 6300; 8000; 10000 Гц - эквивалентные УЗД, максимальные и минимальные значения за время измерения - одновременно во всех полосах одного из трех режимов в реальном времени.

Шумомер может применяться для определения источников и характеристик шума звукового и инфразвукового диапазонов:

на рабочих местах, в помещениях жилых и общественных зданий, на территории жилой застройки на соответствие требованиям санитарных норм;

при исследовании, испытаниях и эксплуатации машин и механизмов;

при разработке и контроле качества изделий.

Технические характеристики:

Шумомер соответствует требованиям ГОСТ 17187-81, МЭК 651 и МЭК 804 для шумомера 1 класса. Октавные и третьоктавные фильтры анализатора соответствуют требованиям 1 класса МЭК 1260. В в шумомере используется микрофон конденсаторный (МК) типа ВМК-205.

Частотный диапазон измерений, Гц……………от 2 до 20000.

Частотный диапазон измерений анализатора, Гц:...……от 2 до 10000.

6. Заглушенные камеры

Заглушенная камера. Заглушенные (безэховые )камеры сооружают, чтобы создать условия свободного поля, т. е. звуковое поле, в котором практически отсутствует посторонний шум и отраженный звук. В таком поле звуковое давление обратно пропорционально расстоянию от акустического центра излучения до точки измерения. Это достигается хорошим изолированием камеры от внешних шумов и вибраций помещения, в котором звуковые волны почти полностью поглощаются при падении на заглушенные поверхности камер.

Заглушенная камера имеет самостоятельную строительную коробку с самостоятельным фундаментом, расположенным внутри здания. Ограждающие конструкции не должны быть жестко связаны с конструкциями основного здания. Схема конструкций пола и стен заглушенной камеры показана на рис. 2.16.

Амортизаторы могут быть резиновые или пружинные.

В заглушенной камере проводятся измерения акустической мощности и уровней шумов, создаваемых различными источниками (промышленными агрегатами, электро- и радиоаппаратурой, бытовыми приборами), исследование акустических свойств конструкций в свободном звуковом поле, а также измерение направленности акустических излучателей и микрофонов. Камеры снабжаются координатными, поворотными устройствами для передвижения измерительных микрофонов и автоматизации измерения.

Для обеспечения малого отражения заглушенные поверхности камер должны иметь высокий коэффициент звукопоглощения во всем диапазоне частот измерений, который достигается применением клиновидных, конусных или реже слоистых звукопоглощающих облицовок. Эффективность звукопоглощающей облицовки оценивают по коэффициенту звукопоглощения, который должен быть не менее 0,95 в диапазоне частот 125 Гц и выше и не менее 0,90 в диапазоне частот ниже 125 Гц, а жесткого пола - 0,06.

Рис. 2.16. Схема конструкций пола и стен заглушенной камеры

Необходимую толщину покрытия определяют по нижней граничной частоте. Примерная зависимость между нижней граничной частотой измерений f₀ и необходимой толщиной звукопоглощающего покрытия L в виде клиньев из стекловолокна показана на рис. 2.17.



Рис. 2.17. Зависимость между нижней граничной частотой измерений f₀ и толщиной звукопоглощающего покрытия L

Согласно ГОСТ 12.1.024 геометрические (внутренние свободные) размеры 2 х 1,8 х 2,8 м³,объем заглушенной камеры должен быть не менее чем в 200 раз больше объема испытываемого источника шума и не менее чем 100 м³ .

При измерениях в заглушенной камере среднее квадратическое отклонение (СКО) результата измерений (S_o) не превышает 0,1…0,2 дБ в диапазоне частот 1...100 кГц, при не исключенной систематической погрешности (_о) 0,2…0,3 дБ. Измерения проводятся при звуковых давлениях 0,05…2 Па.

Обычно камеры снабжаются громкоговорителями, микрофоном, диаметром не более 13 мм, усилителем, генератором чистых тонов, генератором белого шума, самописцем уровня, координатными, поворотными столиками и устройствами для передвижения измерительных микрофонов и автоматизации измерений.

Пригодность заглушенных камер для измерения определяют путем их аттестации и выдачей соответствующего свидетельства. При аттестации заглушенных камер исследуют звуковое поле в камере и определяют его неравномерность.

Проверка звукового поля заглушенной камеры. Для проверки звукового поля в заглушенных камерах громкоговорители должны излучать чистые тона на частотах 63, 80, 100, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 5000, 6300, 8000, 12500, 16000 Гц или полосы белого шума шириной в одну или треть октавы.

Микрофон равномерно перемещают по восьми направлениям от источника шума, т.е. от громкоговорителей. Четыре направления должны проходить из центра излучения к углам камеры, а остальные - выбраны случайно, но не слишком близко по высоте к звукоотражающему полу камеры. В период перемещения микрофона на самописце уровня следует записывать изменение уровней звукового давления с увеличением расстояния от источника по каждому из направлений на каждой частоте. Полученные спады уровней звукового давления следует сравнить с рассчитанными спадами, определяемыми по закону обратно-пропорциональной зависимости (6 дБ при удвоении расстояния от источника шума).

Если разности между измеренными и рассчитанными спадами уровней для каждого направления и каждой части не превышают следующих величин, приведенных в табл. 2.2, то заглушенная камера удовлетворяет требованиям ГОСТ 12.1.024, а в противном случае следует определять постоянную К, учитывающую влияние отраженного звука на результат измерений согласно ГОСТ 12.1.026.

Определение постоянной К. Постоянная К, учитывающая влияние отраженного звука на результат измерений, согласно ГОСТ 12.1.026-80 определяют методом образцового источника шума, либо относительным или ориентировочным методами.

Метод образцового источника шума. Постоянную К в дБ или дБА вычисляют по формуле



К = L_P - L_PR ,

где L_PR - уровень звуковой мощности образцового источника шума в полосах частот (по паспорту).

Таблица 2.2

Вид заглушенной камеры	Среднегеометрические часто- ты треть октавных полос, Гц	Допустимая разность спадов уровней, дБ
Со звукоотражающим (жестким) полом	500 1000 .... 5000 5000	2,5 2,0 3,0
со звукопоглощающим полом	500 1000 .... 5000 5000	1,5 1,0 1,5

7. Реверберационные камеры

Реверберационной камерой называют звуко- и виброизолированное помещение объемом от 60 до 1000 м ³, в котором создаются условия отражённого (диффузного) звукового поля.

Реверберационные камеры предназначены для измерения звукоизоляции различных типов ограждающих конструкций от воздушного и ударного шумов, коэффициентов звукопоглощения различных материалов и конструкций и для измерения мощности громкоговорителей.

Важнейшим фактором при конструировании реверберационных камер является обеспечение весьма малого коэффициента звукопоглощения внутренних ограждающих поверхностей. Для получения хорошего звукового поля в реверберационной камере необходимо учитывать следующие требования:

1) минимальный объем камеры зависит от нижней граничной частоты; при его увеличении частота уменьшается;

2) средний коэффициент звукопоглощения б ? 0,05;

3) распределение нормальных мод колебаний объема камеры по частотам зависит от соотношения размеров камеры.

Для того чтобы звук хорошо распределялся по камере, все стенки реверберационной камеры являются отражающими и непараллельными.

Для выполнения этих требований внутренние противоположные поверхности камеры были непараллельными: под углом 5 ч 10° друг к другу. В прямоугольных помещениях отношения размеров должны быть различны. Для того чтобы звук хорошо распределялся по камере, все стенки реверберационной камеры должны хорошо отражать звук, что достигается нанесением на поверхность кирпичных или железобетонных стен, пола потолка стоя бетона или цементной штукатурки толщиной 1 - 2 см с последующим железнением и окраской масляной или эмалевой краской. Обычно реверберационная камера имеет самостоятельную строительную коробку, располагаемую внутри здания на отдельном фундаменте.

...