Лекция 10. Акустические ИП (измерительные микрофоны)
1. Методики мониторинга звуков жизнедеятельности
Аускультация (лат. auscultatio) — метод физикальной диагностики в медицине,
ветеринарии, экспериментальной биологии, заключающийся в выслушивании звуков,
образующихся в процессе функционирования органов (чаще всего, сердце и легкие, реже -
кишечник). Часто используется в технике для диагностики состояния узлов и агрегатов машин и механизмов. Аускультация бывает прямая — прикладывание уха к прослушиваемому органу, и непрямая — с помощью специальных приборов
(стетоскоп, фонендоскоп).
онокардиография (греч. phōnē звук + kardia сердце + graphō писать, изображать)
метод исследования и диагностики нарушений деятельности сердца и его клапанного аппарата, основанный на регистрации и анализе звуков, возникающих при сокращении и расслаблении сердца. Ф. объективизирует данные аускультации (Аускультация) сердца,
уточняет их результатами амплитудного и частотного анализа звуков, измерения их длительности и интервалов между ними. Синхронная с Ф. регистрация электрокардио- и
сфигмограммы (регистрация движения артериальной стенки, возникающего под влиянием волны давления крови при каждом сокращении сердца) используется для анализа фазовой структуры сердечного цикла.
Звуки сердца сосредоточены в более ограниченной области низких частот (10-150
Гц), а звуки дыхания - в более высокочастотной (100-2500 Гц). Уровень звуков,
генерируемых сердцем, в низкочастотном диапазоне, более интенсивен, чем уровень звуков дыхания.
2. Основные метрологические характеристики акустических ИП.
А. Чувствительность– отношение величины напряжения, развиваемого
микрофоном на сопротивлении, равном номинальному (Rн), к величине звукового давления, воздействующего на мембрану микрофона [В/(Н/м2)]. Наибольшая чувствительность микрофона, измеренная при падении синусоидальной звуковой волны по направлению к его акустической (рабочей) оси, называется осевой
чувствительностью.
Б. Частотная характеристика – зависимость чувствительности микрофона от частоты звуковой волны, воздействующей на его мембрану.
В. Неравномерность частотной характеристики – отношение максимального значения чувствительности к минимальному значению, выраженное в дБ.
Г. Сопротивление номинальной нагрузки – сопротивление, на которое нагружен микрофон, и при котором рассчитываются все его параметры.
Д. Характеристика направленности – зависимость чувствительности микрофона на данной частоте от угла между акустической осью и направлением на источник звука.
Ее изображают графически (в полярных координатах).
Е. Уровень собственных шумов – выраженное в дБ отношение действующего значения шумового напряжения (например, из-за флуктуаций давления воздуха вокруг микрофона) на зажимах микрофона к действующей величине напряжения, развиваемого микрофоном под воздействием звукового давления Р = 0.1 Н/м2.
3. Акустические ИП (микрофоны)
Стетофонендоскоп предназначен для съема ипередачи звука с поверхности тела пациента наслуховые органы врача. Во время аускультацииврач плотно прижимает диафрагму звукоприемной головки к поверхности кожного покрова грудной клетки.
Колебания поверхности тела, вызванные звуками дыхания, вынуждают вибрировать диафрагму, что приводит к появлению пульсаций звукового давления внутри звукоприемной головки стетофонендоскопа, которые затем по звукопроводам передаются на барабанные перепонкинаружного уха, и далее на биосенсоры внутреннего уха.
Как правило,у всех моделей механических стетофонендоскопов, амплитудно-
частотная характеристика нелинейна, в ряде частотных полос, существуют резкие спады чувствительности – “провалы”.
3.1. Электретный микрофон
Электрет– тело, длительно сохраняющее поляризацию после удаления внешнего электрич. поля и создающее в окружающем его пространстве электрич.поле. Электрет –
электрический аналог постоянного магнита.
Электретный эффект получают |
электризацией диэлектрика в электрич. поле, |
||||
охлаждая диэлектрик после нагрева |
(термоэлектреты), |
при |
комнатной |
температуре |
|
(электроэлектреты) или освещая (фотоэлектреты), |
а |
также |
электризуя |
диэлектрик |
|
частицами высоких энергий (радиоэлектреты) и т.п. |
|
|
|
|
|
Э.М.–электростатические преобразователи, |
использующие в |
качестве |
|||
чувствительного материала заряженный твердый диэлектрик. На рис. 1 схематично показан поперечный разрез такого микрофона, состоящего из метализированной электретной диафрагмы, установленной на металлическое основание так, что между ними оставлен воздушный зазор. Металлизированный слой соединен с основанием через нагрузочное сопротивление R. Заряд электрета, плотность которого обозначена как 1,
считается неизменным. Поле этого заряда в воздушном зазоре имеет напряженность E1.
|
|
Слой металла |
||
Электретная |
|
|
|
|
диафрагма |
s |
диэлектрик |
E |
R |
|
|
1 |
|
|
|
s |
E 1 |
|
|
|
воздушный зазор |
|
||
|
1 |
|
|
|
Задний металлический электрод
Рис. 1. Электретный микрофон в разрезе.
При падении на диафрагму звуковой волны последняя начинает колебаться с амплитудой s, меняя толщину воздушного зазора s1. В разомкнутом режиме поле и индуцированные заряды остаются неизменными, при этом можно найти амплитуду выходного напряжения U= E1s в виде:
U |
|
|
ss 1 |
|
|
|
s s , показывающем независимость сигнала от частоты |
||
|
|
|||
|
|
0 |
1 |
|
падающей звуковой волны (!).
Вместе с тем, эффект искажения нелинейности АЧХ вносит сама стетоскопическая камера.
ОБРАЗЕЦ ЭЛЕКТРЕТНОЙ ПЛЕНКИ
1 |
2 |
|
3 |
|
R |
Звуковая
волна
R
Рис. 2. Принцип действия электретного микрофона
Простейший электретный микрофон (рис. 2) представим в виде системы,
состоящей из металлической пластины 1, отделенной воздушным зазором от полимерной пленки 2, с напыленным на нее металлическим электродом 3.
При перемещении пленки относительно пластины (возникающем под действием звуковой волны) потенциал последней меняется, что приводит к переносу зарядов через электрическую цепь, образованную нагрузочным сопротивлением R, включенным между пластиной 1 и электродом 3. В таком случае цепь преобразования сигналов можно представить следующим образом:
p S L q I UR k UR ,
где p – звуковое давление; S – прогиб мембраны L – изменение зазора; q – образование потенциала на поверхности мембраны; I – протекание тока в цепи нагрузки;UR – падение напряжения на нагрузке; k UR – предусиление.
Достоинства:широкий частотный диапазон, который распространяется на интервал от 0.001 Гц до сотен МГц. Кроме этого, они обладают относительно
равномерной частотной характеристикой, низким уровнем нелинейных искажений, хорошими импульсными характеристиками, не подвержены действию
электрического поля и просты в изготовлении.
Недостатки: переход звука из биотканей на чувствительные элементы происходит через диафрагму и воздушную среду, при этом наблюдается существенное снижение
эффективности и искажение АЧХ.
3.2. Пьезоэлектрические акустические ИП Схема микрофона приведена на рис 3. Он состоит из чувствительного элемента -
пьезоэлектрического цилиндрического преобразователя, закрепленного между легкой
(приемной) и тыльной (массивной) накладками. К приемной накладке прикреплена тонкая стальная мембрана (толщиной 0.1 мм), опирающаяся по периметру на корпус преобразователя. Массивная тыльная накладка жестко соединена с металлическим корпусом, в верхней части которого установлен предварительный усилитель. Звук из биотканей (акустически мягкой среды) распространяется в акустически жесткую
(стальную мембрану), далее через переднюю накладку на пьезоэлектрический преобразователь. Звуковое давление при переходе из биотканей на стальную мембрану,
Рис. 3. Схема контактного микрофона стержневого типа
1 – биоткани; 2 – мембрана; 3 – передняя накладка; 4 –
пьезоэлектрический преобразователь; 5 – корпус; 6 – тыльная накладка;
7 – сигнальный кабель;
согласно, возрастает приблизительно в 2 раза. Отсутствие воздушной прослойки снижает эффект нелинейности АЧХ.
3.3 Электроакустический преобразователь колебательного ускорения
(акселерометр)
Наряду с преобразователями звукового давления, в устройствах электронной аускультации для регистрации звуков жизнедеятельности применяются преобразователи колебательного ускорения - акселерометры. Главными достоинствами таких преобразователей является линейность АЧХ в широком диапазоне частот.
3.4. Электродинамический микрофон
Сильный кольцевой постоянный магнит(1) создает в узком кольцевом зазоре(2)
равномерное магнитное поле. В зазоре(2) помещена обмотка или катушка(3),
подвешенная на легком кольцевом каркасе (4). (3) + (4) – подвижная механическая система преобразователя. Колеблясь вдоль зазора, катушка не должна касаться магнитной
системы.
1. Режим динамика Если к подвижной катушке подвести переменный ток, то взаимодействуя с
магнитным полем постоянного магнита, он вызовет механическую силу, которая будет колебать катушку (катушка производит вынужденные колебания в поле постоянного магната под. действием силы Ампера). Если к катушке подсоединить легкую
диафрагму или поршень, то преобразователь будет совершать механическую работу,
преодолевая механическое сопротивление подвеса и сопротивление излучения звука в воздух.
2. Режим микрофона Механическое воздействие на диафрагму вызовет движение катушки в магнитном
поле и, соответственно, наведение токов через обмотку катушки (явление
электромагнитной индукции). Т. О. электродинамические преобразователи являются обратимыми.
Рис. 5. Схема электродинамического микрофона На практике динамический микрофон конструктивно несколько отличается от
динамика: у него другая конструкция мембраны, катушка содержит большее количество витков и намотана гораздо более тонким проводом.
Для интересующихся более подробным описанием устройства современных наушников: http://hi-news.ru/audio/chtivo-kak-rabotayut-naushniki.html
Вопросы по лекции
1.Аускультация сердца и легких. Эхокардиография. Частотный диапазон звуков дыхания и сердца. Чувствительность и частотная характеристика акустических ИП
2.Неравномерность частотной характеристики. Сопротивление номинальной нагрузки. Характеристика направленности и уровень собственных шумов
3.Электретный микрофон. Принцип действия. Независимость сигнала от частоты падающей звуковой волны.
4.Пьезоэлектрический акустический ИП. Принцип действия. Электроакустический преобразователь колебательного ускорения. Принцип действия
5. Электродинамический микрофон, принцип действия.