Лекция. Акустикалық шамаларды өлшеу

Өлшеу құралы.Газдалған ортада (ауада) акустикалық параметрлерді өлшеу, негізінен микрофондар көмегімен жүргізіледі. Әсер ету принцпі бойынша оларды бірнеше топтарға бөлуге болады. Олардың ішіндегі ең қарапайымы көміртекті микрофон (9.1-сурет, а). Микрофонның негізгін оның капсуласында орналасқан көмір ұнтақтары құрайды. Ұнтаққа жіңішке металл пластинасы – мембрана тығыз қыспақталған. Ол ұнтақпен тікелей жанасады және микрофонның шығуларының бірімен байланысқан, ал капсуланың артқы бөлігінде екінші шығуы орналасқан. Микрофонның ішкі кедергісі көмір ұнтағының мембрана мен артқы шығуы арасындағы кеңістіктегі кедергісімен анықталады. Дауыс толқындары, түйіршіктері бір-біріне әртүрлі қысылған, көмір ұнтақтарна әсер ететін, мембрананың тербелісіне әкеледі. Бұл кезде түсірілетін дыбыс әсерінің тактысына сәйкес микрофонның ішкі кедергісі өзгереді. Көмірткті микрофон 10...12 кГц аралығындағы жиіліктерде жұмыс істей алады, бірақ көмір ұнтақтарының түйіршіктерінің өзара бейберекет жанасуы есебінен, оның кедергісі де дәл солай бейберекет өзгереді. Бұл пайдалы сигналмен қабаттасып, микрофонның сезімталдығын шектейтін, «шудың» пайда болуына әкеледі.

Электродинамикалық типті микрофон қасиеттері жағынан ең жақсысы болып саналады (9.1-сурет, б). Ол негізінен мембранамен 5 механиклық байланысқан, қуысына дыбыс катушкасы 4 орналасқан тұрақты магнит 7 болып табылады. Дыбыс толқындарының әсерінен мембрананың 5 тербелісі дауыс катушкасына 4 беріледі.

9.1-сурет. Көміртекті (а) және электродинамикалық (б) микрофондар: 1 және 5-мембрана; 2-көміртек ұнтағы; 3-киізден жасалған сақина; 4-дыбыс катушкасы; 6-қорғаныс торы; 7-магнит.

Дауыс катушкасының тұрақты магниттің магнит өрісінде жылжуы есебінен ЭҚК пайда болады. жиілігінің әсері мен арқылы ЭҚК-нің шамасы және жиілігі дыбыс әрекетінің амплитудасымен және жиілігімен анықталады. Көміртекті микрофонға қарағанда электродина-микалық микрофон қайтымды болып келеді. Яғни ол, дыбыс толқындарын қабылдап қана қоймай, сонымен қатар дыбыс толқындарының көзі де бола алады. Ол үшін дыбыс катушкасына 4 кернеу беру керек, сол кезде мембрана 5 берілген кернеудің жиілігімен тербеліп, дыбыс толқындарын тудырады.

Осы принцппен іс жүзінде барлық радиоаппаратура және теледидарлардағы динамикалық бастиектер (дауыс зорайтқыштар) жұмыс істейді. Бірақ олардың ішінде мембрананың орнына қатты картоннан жасалған катушкамен байланысқан диффузорлар қолданылады.

Конденсоторлы үналғы негізінен бір пластинасы қозғалыссыз 1 үналғының тұрқысына бекітілген, ал екінші пластинасы жиі алюминиден дайындалған 3 мембраналы конденсатордан тұрады. Мембранаға 3 әсер ететін дауыс толқындары оны толқуға әкелеіп, соның әсерінен пластиналар арасындағы арақашықтықты өзгертеді.

Конденсаторлы микрофон (9.2-сурет, а) бір пластинасы қозғалмайтын және микрофон корпусына 1 бекітілген, ал көбіне алюменийден жасалатын екіншісі мембрана 3 болып табылатын конденсатор болып келеді. Мембранаға 3 әсер ететін дыбыс толқындары, оны пластиналар арасындағы қашықтықты өзгерте тербелуге мәжбүрлейді. Соның салдарынан конденсатордың сыйымдылығы мембранаға 3 әсер ететін дыбыс қысымының тактісіне сай өзгеріп отырады. Пьезоэлектрлік микрофон (9.2-сурет, б) пьезоэффектіге негізделген.

9.2-сурет. Конденсаторлы (а) және пьезоэлектрлік (б) микрофондар: 1-корпус; 2-оқшаулаушы тығырық; 3 және 5-мембраналар; 4-оқшаулаушы материалдан жасалған корпус; 6-пьезоэлемент.

Пьезоэлектрлік эффектіге сәйкес, мысалы, кварцтан немесе сегнет тұзы кристалынан жасалған жұқа пластинаның дефформациялауынан (майысуынан), оның жақтарында потенциалдар айырмасы пайда болады. Пластинаға айнымалы механикалық әсер еткенде, пластинадан айнымалы кернеу алуға болады. Бұл кернеу механикалық әрекеттің амплитудасы мен жиілігіне тәуелді болады. Мұндай микрофон мембрананың тербелісі майысуын тудыратындай етіп квац пластинамен байланысқан, дыбыс толқындарын қабылдаушы жұқа мембрана болып табылады. Пьезометрлік микрофондар ең арзан, сонымен қатар жеткілікті жақсы сипаттамаларға ие микрофондар қатарына жатады. Олар ультрадыбыстық диапазонда жақсы жұмыс істейді және де электродинамикалық микрофондар сияқты қайтымды, демек ол дыбыс көзі ретінде қолданылуы да мүмкін.

Дыбыс толқындарын сұйық ортада (мысалы, суда) өлшеу үшін гидрофондар қолданылады, оның құрлымы 9.3-суретте бейнеленген.Ол басқа да гидрофондар секілді пьезоэффектіні пайдаланумен жұмыс істейді. Оның ішіндегі пьезоэлемент 4 жартысфера пішімінде орындалған. Ішкі және сыртқы беттері металмен тозаңдатылған бүркеме пьезокерамикадан ЭҚК-ін алу элементтерін жасайды.

9.3-сурет. Гидрофонның құрылымы: 1-корпус; 2-костор майы; 3-резеңке; 4-пьезоэлемент.

Пьезоэлементтің жұмыс істеуіне сұйықтықтың (судың) әсерін болдырмау үшін гидрофонның сыртқы жағы жұқа резенке қабығымен 3 қапталған. Гидрофондардың кейбір типтерінде өзі жұмыс істейтін статикалық қысымының әсерінен пьезоэлементтің деформациясын болдырмау үшін оның ішкі қуысына кастор майын 2 толтырады. Қарастырылған конструкция іс жүзінде барлық жақтан дыбыс қысымын қабылдай алатын жан-жақты болып табылады.

Гидролокацияда пьезоэффектіні пайдаланумен жұмыс істейтін, бірақ ол суасты объектілеріне (суасты және су үсті кемелеріне, балықтар шоғырына, тау-тастарға) бағытты анықтау үшін, белгілі бағыттағы диаграммасы бар, дыбыс қабылдағыштар пайдаланылады.

Ультрадыбыс аймағында магнитострикция принцпте жұмыс істейтін, дыбыс толқындарын қабылдағыштар мен таратушылар кең қолданыс табуда. Магнитострикция – магнит өрісінің әсерінен кейбір металдардан (негізінен никельден) жасалған бұйымдардың геометриялық өлшемдерінің өзгеруімен байланысты құбылыс.

Егер де никельден жасаған өзекшеге катушканы орап, ол арқылы ток жіберсе, магнит өрісі әсерінен өзекшенің ұзындығы өзгереді. Егер катушка арқылы айналмалы токты жіберетін болсақ, онда өзекшенің ұзындығы катушкаға берілген кернеудің жиілігімен, бойлық тербелістер жасайды. Соның әсерінен өзекше өзінің ұштарымен дыбыстық немесе ультрадыбыстық толқындарды жасайды. Негізінде бұндай жүйе қайтымды, яғни, егер өзекшеге дыбыс толқыны түсетін болса, айнымалы дыбыс қысымы әрекетінен өзекше (бір созылып, бір сығылып) тербеле бастайды, бұл өзекшеге оралған катушкада дыбыс толқындарының жиілігіне тең жиіліктегі ЭҚК-ін тудырады. мен Магнитострикциялық генераторлар мен ультрадыбыстық сигналдарды қабылдауыштар гидролокацияда, эхолоттарда, сондай-ақ радиоэлектроникада ультрадыбыстық сызықтарды кідірту үшін (түсті телидидарларда пайдаланылады) және басқа да құрылғыларда қолданылады.

Акустикалық өлшемдерді жасау методикасы. Ең маңызды және ең негізгі акустикада өлшенетін параметрлердің бірі дыбыстық қысым болып табылады, өлшем бірлігі – Паскаль (Па). Техникалық өлшеулер кезінде бұл мақсат үшін микрофон қызмет етеді. Дыбыс қысымының сандық көрсеткіштерін алу үшін микрофон калибрленген болуы керек, яғни оның шығу кернеуінің шамасы дыбыс қысымының шамаларымен қатаң байланысуы керек. Мұндай калибрлеу жеткілікті қиын болғандықтан, арнайы зертханаларда жасалады. Микрофонның шығысында кернеудің шамасы вольтметрмен тікелей өлшеу үшін өте кішкентай болғандықтан,бұл жағдайда микрофонның шығуынан кернеу күшейту коэффиценті қатаң белгіленген электрондық күшейткішке беріледі.

Кез-келген ортада дыбыстың таралу жылдамдығы дыбыс импульсінің (қысқа мерзімдік берілістердің) шығарылатын көзден қабылдағыш-микрофонға дейінгі жүру уақытмен анықталады. Дыбыстың таралу жылдамдығына кеткен уақытты өлшеу, радиоэлектроникада кең пайдаланылатын, электрондық әдістермен іске асырылыады.

Егер дыбысты шығарған көзден қабылдаушы микрофонға дейінгі арақашықтықты біле отырып, дыбыс толқындарының таралу жылдамдығын анықтауға болады.

Дыбыс толқынының шағылысу коэффицентін анықтау.Ортаға қарай бағыттап,шағылысуы өлшенуі керек, қысқа мерзімді дыбыс импульсын өлшейді және дыбыс көзімен қатар орналасқан қабылдағышпен, шағылыстырушы беттен қайтқан, шағылысқан сигналдың деңгейін тіркейді (9.4-сурет). Егер де қабылдаушы құрылғы жіберілген импульстің қайтуын тіркемесе, онда шағылу коэффиценті нөлге тең болады. Шағылысқан сигналдың күші бойынша зерттелініп отырылған шағыстырушы материалдың, ортаның және т.с.с. шағылыстыру қасиеттері жөнінде айтуға болады. Теория бойынша мұндай өлшеулер қатты қиындықтарға әкелмесе де, іс жүзінде шағылысу коэффиценті анықталатын ортадан кейін орналасқан нәрселерден сигналдардың шағылысуын болдырмайтын арнайы шаралар қабылданылуы қажет. Бұдан басқа дыбыс толқыны өлшенетін ортаға қарай және кері жүру телімдерінде қозғалғанда және басқа көптеген жағдайларда сигналдың әлсірейтіні ескерілуі қажет.

9.4-сурет. Шағылысу коэффицентін анықтау: 1-дыбыс көзі; 2-шағылыстырушы материал; 3-микрофон.

Шағылысқан дыбыс толқындарын пайдалану техникада кең қолданыс тапты. Тығыздықтары әр түрлі екі ортаның шекарасынан дыбыстық шағылуы болатыны да ескеріледі.

Егер ультрадыбысты ішінде қуыстары бар (мысалы, құймада ақау кеткен) металл бұйымға жіберсек, онда сол қуыстың шекарасынан шағылысуды байқауға блады. Осы принципте ультрадыбыстық дефектоскоптар жұмыс істейді. Олардың көмегімен авиация мен ғарыш техникасында жауапты бөлшектердің сапасы тексеріледі. Ультрадыбыстың шағылысуы, сонымен қатар диагностикаланатын, металл бұйымдардың жарықтарынан да болады.

Негізгі әдебиет: 1 .

Қосымша әдебиет: 8

Бақылау сұрақтары:

1. Қандай негізгі дыбыс сигналдарын қабылдағыштар акутикалық өлшеулерде қолданылады?

2. Дыбысты қабылдау бойынша адамның есту ерекшеліктері қандай?

3. Дыбыс толқынының таралу жылдамдығы қалай өлшенеді?

4. Акустиканың техникада қолданылуына мысалдар келтіріңіздер.

5. Акустикада логарифмдік бірліктерді қолдану немен байланысты?