Специальные радиоизмерения

Диффузорные громкоговорители обладают направленностью, особенно в  области высоких звуковых частот. В качестве ненаправленного источника  звука используют систему из нескольких громкоговорителей, размещенных под углами друг к другу  .

Используются также аэродинамические источники звука, например, электродвигатель с наружным ротором в виде центробежного вентилятора, обеспечивающего звуковое давление порядка 88 дБ  (здесь и далее звуковое давление относительно 2·10  Па)  в диапазоне 100÷10 000 Гц.         

С помощью сирен можно  добиться высокой интенсивности  звука

(140÷160 дБ), правда, в узких  диапазонах частот. В качестве  источника мощного звука может быть использована сверхзвуковая струя.           

Для полевой градуировки  микрофонов применяется так называемый  шариковый калибратор, представляющий собой простейший источник воздушного шума в широком частотном диапазоне. В корпусе  , содержащем две сообщающиеся между собой полости, помещены мелкие стальные шарики. Прибор подобно песочным часам включается поворотом корпуса в положение, при котором шарики из верхней полости пересыпаются в нижнюю под действием силы тяжести. По пути шарики ударяются об отражающую призму и мембрану, что и является причиной звука. На определенном расстоянии от мембраны помещается калибруемый микрофон. Время, за которое шарики пересыпаются из верхнего положения в нижнее равно 14 с, что достаточно для проведения отсчета. Суммарное  звуковое давление составляет около 108 Дб . Спектр шума шарикового источника простирается от 20 до 5000 Гц.         

В качестве миниатюрного излучателя звука в воздухе  может быть также использован конденсаторный микрофон. Он создает давление порядка 20 дБ на расстоянии 1м при возбуждении напряжением 10 В на частоте 1000 Гц. Давление изменяется пропорционально квадрату частоты. 

Для калибровки микрофонов применяется также измерительный  излучатель – пистофон  (представляющий конструкцию из двух поршней, приводимых в движение в противофазе), обеспечивающий звуковое давление 124 дБ на частоте 250 Гц (с точностью порядка ± 0,2 дБ). Прибор так же, как и предыдущий, рассчитан на наведение на капсулу микрофона.  

Условия работы преобразователей, излучающих звук в жидкость, отличаются от условий работы излучателей в  воздухе тем, что удельное акустическое сопротивление воздуха (410 Па с/м) значительно меньше сопротивления любой жидкости (1,5 10⁶ Па с/м). Гидростатическое давление в воде  резко изменяется по мере погружения излучателя в воду, а атмосферное давление при подъеме излучателей на различную высоту изменяется незначительно. Конструкции излучателей, эффективных в воздухе, не обеспечивают должного давления в воде, а подводные излучатели звука практически не работают в воздухе. Кроме того, на конструкции подводных излучателей накладывается требование обеспечения герметичности и электрической изоляции.          

Для излучения звука в  жидкостях на низких и средних  частотах

(до 2000 Гц) применяют электродинамические  преобразователи, на более высоких частотах -  пьезоэлектрические и электростатические.           

Измерительные излучатели обычно используют на частотах ниже частоты  их механического резонанса. Мощность излучателей невелика. Конструктивно  они обычно имеют цилиндрическую или сферическую форму, а на высоких  частотах – форму дисков.          

Пьезоэлектрические излучатели звука сферической и цилиндрической формы, изготовленные из тонких пьезокерамических  оболочек, используют на частотах ниже их первой резонансной частоты при  возбуждении радиальных колебаний. Использование других типов колебаний (тангенциальных, продольных) нежелательно для измерительных целей вследствие существенной неравномерности характеристик направленности.           

Приближенные формулы  для расчета звукового давления p, создаваемого пьезоэлектрическими излучателями в жидкости на расстоянии r, имеют следующий вид:          

для сферы на расстоянии   >

  ,                                                                   

для цилиндра на расстоянии  >

 ,                                                                   

для цилиндра на расстоянии  2L< r < 

 ,                                                   

где U – напряжение возбуждения; R, d, d  -  средний радиус, толщина и пьезомодуль керамики; ρ, с – плотность и скорость звука в среде;  ,  - коэффициенты дифракции сферы и цилиндра.

         Зависимость коэффициентов  дифракции от kR=ωR/c . В области малых значений  kR  дифракция на цилиндре заметнее, чем на сфере, однако, начиная с  kR≈0,5  влияние дифракции на сфере резко возрастает. (k-волновое число).          

Широко распространенный сферический излучатель из пьезокерамики  ЦТС-19 (d  = 10  Кл/H ) диаметром 2R=5·10 м  и толщиной стенок    d=0,5·10  м при возбуждении напряжением U=50 В на частоте 0,5·10 Гц              (ω = 3,14·10  Гц) создает на расстоянии 1 м звуковое давление 1,5 Па.

В пределах глубины погружения до нескольких тысяч метров параметры  пьезокерамики не зависят от гидростатического  давления  (необходимо, однако, обеспечивать герметичность преобразователя и питающего кабеля). Зависимость от температуры тоже малая.          

При возбуждении звуковых колебаний (вибраций) в твердых телах  используются источники механического  типа эксцентрикового или ударного действия и электродинамические  возбудители. Применяются также  электромагнитные и пьезоэлектрические вибраторы, работающие на колебаниях изгиба в области низких частот.          

Измерительные приемники звуковых колебаний. Конструкции приемников звука различны для газов, жидкостей и твердых тел. При равной интенсивности давление звука в воздухе на три порядка меньше, чем в воде. Поэтому чувствительность приемников звука в воздухе должна быть значительно выше, чем в воде.          

В качестве измерительных  приемников звука в воздухе в  основном используют конденсаторные (электростатические) микрофоны, сочетающие большое значение чувствительности с ее равномерной частотной характеристикой. Техника изготовления качественных конденсаторных микрофонов звукового давления достигла высокого уровня. Вследствие малых размеров эти микрофоны являются ненаправленными в широком диапазоне частот. К недостаткам конденсаторных микрофонов относятся заметная зависимость их чувствительности от атмосферного давления, влажности воздуха, температуры, а также необходимости подачи постоянного напряжения на электроды. Промышленность выпускает измерительные микрофоны на диапазон частот 0,1÷140 000 Гц с размерами 7÷24 мм.        

Перспективно применение электретных микрофонов, которые  не требуют источников питания. Особенно интересны попытки создания электретных  приемников звука в виде кабелей  заданной длины; располагая их различным  образом, можно получить антенные системы  сложной конфигурации с разнообразными характеристиками направленности.          

Существенную информацию о характере звукового поля может  дать измерение колебательной скорости, являющейся в отличие от звукового давления величиной векторной, т.е. зависящей от направления. В воздушной  (и газовой)  среде в качестве приемников колебательной скорости могут использоваться микрофоны электромагнитной и электродинамической систем, а также некоторые конструкции конденсаторных микрофонов.               

Свойства акустико-механической системы сильно зависят от того, воздействует ли звуковое давление на одну сторону диафрагмы (микрофон давления) или на обе стороны, а во втором случае от того, симметрично ли это  воздействие (микрофон градиента давления) или на одну из сторон диафрагмы действуют колебания, непосредственно возбуждающие ее, а на вторую - прошедшие через какое-либо механическое или акустическое сопротивление или систему задержки времени (асимметричный микрофон градиента давления). Большое влияние на характеристики микрофона оказывает его механоэлектрическая часть. Первым получил распространение угольный микрофон, который и до сих пор используют в телефонии. Действие его основывается на изменении сопротивления между зернами угольного порошка при изменении давления на их совокупность.                                              

Угольный микрофон  работает следующим образом. При воздействии  звукового давления на его диафрагму 1 она начинает колебаться. В такт этим колебаниям изменяется и сила сжатия зерен угольного порошка 2, в связи с чем изменяется сопротивление между электродами 3 и 4, а при постоянном электрическом  напряжении изменяется и ток через  микрофон. Если, скажем, включить микрофон к первичной обмотке трансформатора Т, то на   зажимах его вторичной обмотки будет возникать переменное напряжение, форма кривой которого будет отображать форму кривой звукового давления, воздействующего на диафрагму микрофона.                                                      

Основное преимущество угольного  микрофона - высокая чувствительность, позволяющая использовать его без усилителей. Недостатки - нестабильность работы и шум из-за того, что полезный электрический сигнал вырабатывается при разрыве и восстановлении контактов между отдельными зернами порошка, большая неравномерность частотной характеристики и значительные нелинейные искажения. После угольного микрофона появился электромагнитный микрофон, который работает следующим образом. Перед полюсами (полюсными наконечниками) 2 магнита 3 располагают ферромагнитную диафрагму 1 или скрепленный с ней якорь. При колебаниях диафрагмы под воздействием на нее звукового давления меняется магнитное сопротивление системы, а значит, и магнитный поток через витки обмотки, намотанной на магнитопровод этой системы. Благодаря этому на зажимах обмотки возникает переменное напряжение звуковой частоты, являющееся выходным сигналом микрофона. Электромагнитный микрофон стабилен в работе, однако ему свойственны узкий частотный диапазон, большая неравномерность частотной характеристики и значительные нелинейные искажения. В противоположность электромагнитному микрофону чрезвычайно широкое распространение для целей озвучения, звукоусиления получил электродинамический микрофон в своих двух модификациях - катушечной и ленточной.  Принцип действия электродинамического катушечного микрофона состоит в следующем. В кольцевом зазоре 1 магнитной системы, имеющей постоянный магнит 2, находится подвижная катушка 3, скрепленная с диафрагмой 4. При воздействии на последнюю звукового давления она вместе с подвижной катушкой начинает колебаться. В силу этого в витках катушки, перерезывающих магнитные силовые линии, возникает напряжение, являющееся выходным сигналом микрофона. Электродинамический микрофон стабилен, имеет довольно широкий частотный диапазон, сравнительно небольшую неравномерность частотной характеристики. Устройство ленточного электродинамического микрофона несколько отличается от устройства катушечной модификации. Здесь магнитная система микрофона состоит из постоянного магнита 1 и полюсных наконечников 2, между которыми натянута легкая, обычно алюминиевая, тонкая (порядка 2 мкм) ленточка 3. При воздействии на обе ее стороны звукового давления возникает сила, под действием которой ленточка начинает колебаться, пересекая при этом магнитные силовые линии, вследствие чего на ее концах развивается напряжение. Т.к. сопротивление ленточки очень мало, то для уменьшения падения напряжения на соединительных проводниках напряжение, развиваемое на концах ленточки подается на первичную обмотку повышающего трансформатора, размещенного непосредственно вблизи ленточки.    

Конденсаторные микрофоны  имеют самые высокие качественные показатели: широкий частотный диапазон, малую неравномерность частотной  характеристики, низкие нелинейные и  переходные искажения, высокую чувствительность и низкий уровень шумов. Электретные микрофоны, по существу, те же конденсаторные, но постоянное напряжение для них обеспечивается не обычным источником, а электрическим зарядом мембраны или неподвижного электрода, материалы которых отличаются тем, что способны сохранять этот заряд длительное время.                                      

Некоторое распространение  получили микрофоны пьезоэлектрические. Их действие основано на том, что звуковое давление воздействует непосредственно или через диафрагму 1 и скрепленный с ней стержень 2 на пьезоэлектрический элемент 3. При деформации последнего на его обкладках вследствие пьезоэлектрического эффекта возникает напряжение, являющееся выходным сигналом микрофона.    

По способу преобразования колебаний микрофоны подразделяют на электродинамические (ленточные  и катушечные), электростатические (конденсаторные и электретные), электромагнитные, угольные и др.; по диапазону воспринимаемых частот - на узкополосные (речевые) и широкополосные (музыкальные); по направленности - на ненаправленные (круговые), двусторонненаправленные (восьмеричные или косинусоидальные), односторонненаправленные (кардиоидные, суперкардиоидные, гиперкардиоидные), остронаправленные; по помехозащищенности - на шумозащищенные и обычного исполнения.

По электроакустическим  параметрам микрофоны разделяют  на четыре группы сложности: нулевая (высшая), первая, вторая и третья. Микрофоны  нулевой, первой и второй групп сложности предназначены для звукопередачи, звукозаписи и звукоусиления музыки и речи, микрофоны третьей группы сложности - только для речи. Кроме того, по некоторым параметрам микрофоны подразделяются на устройства высшей и первой категории качества.

Основные параметры микрофонов: номинальный диапазон частот, модуль полного электрического сопротивления, чувствительность, типовая частотная характеристика чувствительности, характеристика направленности.

Номинальный диапазон частот - тот диапазон частот, в котором  микрофон воспринимает акустические колебания  и в котором нормируются его  параметры. Для профессиональных студийных  целей обычно стремятся использовать микрофоны нулевой группы сложности высшей категории качества, для которых нормируется диапазон частот 20÷20000 Гц. Микрофоны первой группы сложности должны иметь номинальный диапазон частот не менее