Разновидности конструктивного исполнения и области применения микрофонов и гидрофонов

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. Сейчас наиболее широко 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

где – переменное расстояние между пластинами конденсатора, – их площадь; – известная электрическая постоянная. Переменное напряжение в данном случае и является выходным сигналом, который дальше 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.

Для работы в различных средах используют различные конструкции датчиков. Например, для приема волн в воздухе и вибраций в твердых телах применяют микрофоны, а для работы в жидкой среде – гидрофоны. Основное отличие между ними заключается в том, что последнему не приходится измерять постоянное или медленно меняющееся давление. Его частотный диапазон начинается с нескольких герц и заканчивается в районе гигагерц.

В состав таких датчиков входит диафрагма и преобразователь перемещений, преобразующий входной сигнал в выходной электрический. Некоторые типы датчиков могут включать в себя дополнительные элементы, такие как звукопоглотители, фокусирующие отражатели или линзы и т.п.

Рис. 11.1 Оптоволоконный интерферометрический микрофон.

Рис. 11.2 Пьезоэлектрический микрофон.

В настоящее время использование акустических датчиков гораздо шире, чем просто детектирование звука. Наибольшей популярностью сейчас пользуются устройства на поверхностных волнах (ПАВ), реализованные на принципе детектирования механических вибраций в твердых телах. Твердотельные преобразователи часто входят в состав более сложных датчиков, например, химических анализаторов, акселерометров, датчиков давления и т.п.

В химических и биологических датчиках акустические каналы, по которым распространяются механические волны, иногда покрываются специальными составами, вступающими в реакцию только с исследуемым веществом.

Рис. 11.3 Твердотельные акустические датчики: А - мембранного типа с использованием волн Лэмба, Б - на ПАВ.

Промышленность выпускает 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.

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. 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. Для этих применений 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 3,65×3×0,5 мм, выполняющей функции многих микрофонов, электронных блоков и программного обеспечения. Система перекрывает частотный диапазон от 100 Гц до 10 кГц, имеет чувствительность –40 дБ, потребляемую мощность – лишь 0,4 мВт.

Гидрофон - гидроакустический звукоприёмник. Гидрофоны являются электроакустическими преобразователями и применяются в гидроакустике для прослушивания подводных сигналов и шумов, для измерительных целей, а также как составные элементы направленных приёмных гидроакустических антенн. Наиболее распространены гидрофоны, основанные на электродинамическом, пьезоэлектрическом и магнитострикционном эффектах.

Электродинамические гидрофоны по принципу действия не отличаются от воздушных электродинамических микрофонов, если не считать особенностей конструкции, связанных с изоляцией от воды.

В пьезоэлектрических гидрофонах используется прямой пьезоэффект некоторых кристаллов (сегнетова соль, кварц, дигидрофосфат аммония, сульфат лития и т.д.), при котором переменная деформация кристалла вызывает появление переменных поверхностных электрических зарядов и соответственно переменной электродвижущей силы на электродах-обкладках. Широко пользуются пьезоэлектрическими керамическими материалами (типа керамики титаната бария, титаната-цирконата свинца и др.). Чувствительные элементы пьезоэлектрических гидрофонов изготавливают в виде пакетов прямоугольной или цилиндрической формы.

Магнитострикционные гидрофоны основаны на обратном магнитострикционном эффекте некоторых ферромагнитных металлов (в основном никеля и его сплавов), при котором деформация вызывает появление переменной магнитной индукции в магнитопроводе и как следствие - переменной ЭДС на обмотке. Чувствительные элементы гидрофонов (сердечники) набираются, как правило, из тонких пластин для избежания потерь на токи Фуко.

Гидрофоны, предназначенные для измерительных целей, должны быть ненаправленными и обладать ровной частотной характеристикой во всей области исследуемых частот. Для этой цели удобно пользоваться малыми по сравнению с длиной волны полыми сферическими приёмниками из пьезокерамики, совершающими сферические симметричные колебания.

Одна из важнейших характеристик гидрофонов - чувствительность, представляющая собой отношение электрического напряжения к звуковому давлению в мкв/бар; она лежит в пределах от долей мкв/бар для малых (диаметром в несколько мм) керамических сферических приёмников до сотен мкв/бар для пакетов из пьезоэлектрических кристаллов. Для увеличения чувствительности (а также для устранения шунтирующего действия кабеля) пользуются гидрофонами с предварительными усилителями, которые монтируются в одном корпусе с приёмником и вместе опускаются в воду.

- Частотный диапазон - 20…7000 Гц
- Собственные шумы, СКЗ - < 2 мПа
- Амплитудный диапазон - 20 Па
- Взрывозащищенное исполнение
- Выходное сопротивление - <500 Ом
- Температурный диапазон - 0…+70 °С
- Питание стандарта ICP
- Напряжение питания - 30 В
- Ток питания - 3,0 мА
- Уровень постоянного напряжения на выходе - 12,5 В
- Масса (без кабеля) - 50 (без корпуса) г
- Гидрофон непосредственно может подключаться к анализаторам спектра.

В отличие от микрофонов, гидрофоныдолжны 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.

Рис. 5.2. Некоторые промышленные гидрофоны

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.

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.

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).

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. 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.

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.

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.

Рис. 5.5. Некоторые типы "поверхностных микрофонов"

Особый тип поверхностных микрофонов разработала фирма Bruel & Kjaer. 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.

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.

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.