4. Акустические сенсоры

4.1 Физические основы работы акустических сенсоров

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).

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(формула 4.1)

где – 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 (формула 4.2)

где – частота колебаний в источникеакустических волн, – скорость распространенияакустических 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.