Вивчення особливостей акустикоелектричних перетворювачів

Мета роботи: Дослідити канал витоку акустичної інформації через акустикоелектричні перетворювачі.

Завдання: Оцінити ефективність різних акустикоелектричних перетворювачів.

Теоретичні відомості

Звуком називаються механічні коливання в пружних середовищах і тілах (твердих, рідких і газоподібних), частоти яких лежать в межах від 17-20 Гц до 20000 Гц.

Ці частоти механічних коливань здатне сприймати людське вухо. Механічні коливання нижче 17 Гц називають інфразвуками, а понад 20000 - ультразвуками. У твердих тілах можливе існування гіперзвукових коливань (f = 109 ... 1013 Гц).

У всякому звуці розрізняють гучність (силу) і висоту. Гучність звуку залежить від амплітуди коливань, висота звуку визначається їх частотою.

Зміна тиску в середовищі при поширенні звукових хвиль у порівнянні з тиском за відсутністю хвиль називається звуковим тиском. Амплітудне звуковий тиск (ΔPзв) визначається наступним виразом: ΔP = ρVзвU), де ρ - статична щільність середовища; Vзв - швидкість звуку в середовищі. Швидкість коливального руху частинок середовища при поширенні в ній звукових хвиль називається коливальної швидкістю U.

Не слід плутати коливальну швидкість U зі швидкістю поширення звукової хвилі Vзв. Коливальна швидкість зростає при підвищенні частоти і амплітуди акустичного сигналу, однак вона практично на кілька порядків менше швидкості поширення звукової хвилі.

Наприклад: запишемо зсув частинок звукової хвилі S (t) = A sin ωt; отже, коливальна швидкість буде результатом диференціювання зміщення за часом.

U (t) = dS (t) / dt = A ω cos ωt, звідки U = Aω.

Звуковий тиск вважається позитивним у фазі стиснення і негативним у фазі розрядки. Звуковий тиск є скалярною знакозмінної величиною і вимірюється в паскалях (1 паскаль = 1 Н/м2). Діапазон зміни звукового тиску від 10-5 до 20 Па.

Іншим важливим параметром звукового поля є інтенсивність І_зв (звуку) або сили звуку (гучності звуку). Під цим параметром розуміється потік звукової енергії, що переміщюється середовищем у напрямку розповсюдження через одиницю поверхні, перпендикулярної йому, за одиницю часу. Інтенсивність, сила, гучність звуку вимірюється в Ватт/м2.

Протидію, яку здійснюють зазначеної майданчиком середовища поширенню цієї енергії, називається акустичним опором і визначається як Ζ = ΔPзв / U; де ΔPзв - звуковий тиск, U - коливальна швидкість.

Розподіл коливальної енергії в звуковому полі істотно залежить від форми фронту звукової хвилі - поверхні з однаковою фазою звукових коливань. Найбільший практичний інтерес представляють плоска і сферична хвилі.

Поле плоскої хвилі можна представити як простір перед вібруючим плоским випромінювачем, в якому від цього джерела в напрямку позитивних значень x поширюється хвиля, що біжить стиснення і розрядження елементарних обсягів середовища. Тут фронт хвилі повторює плоску форму випромінювача, потік звукової енергії спрямований паралельно осі х, він не розсіюється в сторони і не відхиляється від осі.

Якщо знехтувати втратами енергії в середовищі (що справедливо для невеликих відстаней від джерела випромінювання), то можна вважати, що параметри поля незалежні від значення х залишаються незмінними.

При аналізі акустичних систем коливальну швидкість U частинок середовища часто уподібнюють коливального процесу електричних частинок - змінним струмом, а звуковий тиск - змінному електричному напрузі. При цьому інтенсивність плоскої хвилі по аналогії порівнюють з електричною потужністю.

Поле сферичної хвилі формується при випромінюванні звуку точковим джерелом в необмеженому просторі. Звукові хвилі від такого джерела поширюються рівномірно по всій сфері в тривимірному просторі x, y, z в напрямі її радіусів r.

Фронт хвилі, природно, виходить сферичним. Кількісний аналіз і фізична інтерпретація характеристик поля сферичної хвилі показують, що в ній звуковий тиск і інтенсивність звуку не залишаються постійними вздовж напрямку поширення (навіть при малих загасання в середовищі). Звуковий тиск Pзв = P'зв / r2, де P'зв - звуковий тиск при радіусі одиничної довжини. Аналогічно інтенсивність Iзв = I зв/r2.

Важливою особливістю сферичного поля є те, що в них акустичний опір набуває реактивну складову на відміну від поля плоскої хвилі, де акустичний опір є суто активним.

Для звукових полів важливо, що завдяки малості звукових тисків всі процеси, що супроводжують поширенню звукових хвиль, є лінійними. Це дозволяє користуватися поняттями суперпозиції і взаємності обміну енергії між джерелами випромінювань і їх приймачами.

Інтенсивність звукових хвиль зменшується внаслідок поглинання в середовищі за законом:

I_х =I_о е^-2άx або для сфер x→r, где I_о – інтенсивність входять в середу хвиль,I_x - їх інтенсивність після проходження шляху х.

Величина ά визначає ступінь звукових хвиль і називається коефіцієнтом поглинання.

Інтенсивність звуку при слуховому сприйнятті відповідає відчуттю гучності звуку. При певній мінімальній інтенсивності людське вухо не сприймає звуку. Ця мінімальна інтенсивність називається порогом чутності. Поріг чутності має різне значення для звуків різних частот. При великих інтенсивностях вухо відчуває болюче відчуття. Найменшу інтенсивність такого звуку називають порогом больового відчуття.

Зміна інтенсивностей прийнято вимірювати в одиницях, званих децибел:

Зазвичай за I_o приймають інтенсивність відповідну порогу чутності при частоті 1000 Гц.

Акустичний тиск, що виникає під час розмови, може викликати механічні коливання елементів електронної апаратури, що в свою чергу, призводить до появи електричних струмів, напруг і електромагнітних випромінювань або їх змін при певних обставинах. Акустичні перетворювачі можуть бути наступних видів:

1. індуктивні

2. ємнісні

2. п'єзоелектричні

3. оптичні.

В основному витік небезпечних акустичних сигналів здійснюється через допоміжні технічні засоби і системи (ДТЗС).

До допоміжних технічних систем і засобів відносяться:

1. Системи відкритої телефонного зв'язку.

2. Системи радіотрансляції.

3. Системи електроживлення.

4. Системи охоронної та пожежної сигналізації.

ДТЗС, що знаходяться в зоні дії небезпечних акустичних сигналів, нерідко є причиною витоку секретної інформації за межі контрольованої зони.

Сигнали в ланцюгах ДТЗС, обумовлені впливом зовнішніх акустичних полів, можуть бути дуже значними і перевищувати гранично допустимі для цих ланцюгів величини.

Чутливість елементів технічного засобу до впливу звукового поля визначається за формулою:

де- ЕРС сигналу на виході елемента; Р - акустичний тиск в місці розташування елемента.

Для вимірювання акустичного тиску застосовуються спеціальні вимірювальні прилади - шумоміри, що складаються з високоякісного мікрофона, широкосмугового підсилювача, атенюатора, перемикаючого межі виміру ступенями по 10 дБ, і вимірювального приладу (індикатора). Діапазон вимірюваних значень сучасних шумоміром лежить в межах від 20-30 дБ до 120-130 дБ щодо стандартного рівня звукового тиску (порога чутності) Р_о:

Примірна характеристика звукових сигналів наведено в таблиці 1.

Таблиця 1.

Шкала, дБ	Сила звука, Вт/м2	Звуковий тиск, Н/м2	Приклади звуків зазначеної сили
0	10-12	0,00002	Межа чутливості людського вуха
10	10-11	0,000065	Шелест листя. Слабкий шепіт на відстані 1 м.
20	10-10	2.10-4	Тихий сад
30	10-9	6,5.10-4	Тиха кімната. Середній рівень шуму в залі для глядачів
40	10-8	2.10-3	Неголосна музика. Шум в житловому приміщенні
50	10-7	6,5.10-3	Слабка робота гучномовця. Шум в ресторані чи установі з відкритими вікнами
60	10-6	2.10-2	Гучний радіоприймач. Шум в магазині. Середній рівень розмовної мови на відстані 1 м.
70	10-5	6,45.10-2	Шум мотора вантажного автомобіля. Шум всередині трамвая
80	10-4	2.10-1	Гучна вулиця. Машинописні бюро
90	10-3	0,645	Автомобільний гудок
100	10-2	2,0	Клепальна машина. Автомобільна сирена
110	10-1	6,45	Пневматичний молот
120	1	20	Реактивний двигун на відстані 5 м. Сильні удари грому
130	10	64,5	Больова межа. Звук вже не чути

Переклад звукового тиску з одних величин в інші заснований на співвідношенні:

З даного виразу неважко отримати такі, зручні для обчислень формули. Розпишемо праву частину рівняння:

Отримуємо:

Щоб перейти від дБ до тиску (Па) потрібно:

(6)

ДТЗС, розташоване в зоні дії акустичного поля небезпечного сигналу і має ланцюг, що виходить за межі контрольованої зони, можна представити у вигляді еквівалентної схеми, зображеної на рис.1

Рис.1. Еквівалентна схема ланцюга

Напруга небезпечного сигналу, обумовлене акустичним полем:

Де - повний опір ДТЗС, а- опір ланцюга навантаження.

Зрівняв до гранично допустимої (нормованої) величиною небезпечного сигналу в лінії, можна отримати співвідношення для розрахунку гранично допустимого значення акустичного тиску в місці установки ДТЗС:

Електростатична система. Найпростішим перетворювачем цієї системи є конденсатор, одна пластина якого (А) рухлива, а інша (Б) закріплена нерухомо (рис.2).

Рис.2. Електростатична система

Акустична чутливість в цьому випадку визначається за формулою:

де: - прикладена до пластин напруга;S - площа пластини; а – зазор між ними; - механічний опір системи; - частота впливаючого поля. Механічний опір одноконтурної механічної системи описується «механічним» законом Ома:

де: r - активний опір (тертя); хутром; m - маса рухомий пластини, кг; C_м - гнучкість, м / Ньютон.

Для отримання ефекту перетворення в цій системі необхідно на пластини подати напругу. Прикладами пристроїв, що працюють за принципом електростатичних систем є пластини різних реле. Описана система моделює також поведінка монтажних проводів або електричних деталей плат, розташованих біля металевого корпусу технічного засобу. Зменшити чутливість в такій системі можна шляхом збільшення зазору утворився конденсатора, зменшення площі його пластин і збільшення механічного опору системи за допомогою заливки провідників на платі спеціальним компаундом і жорсткого кріплення самої плати на металевому підставі.

Електродинамічна система. При русі провідника довжиною в постійному магнітному полі з індукцією В зі швидкістю (рис.3) в провіднику індукується ЕРС сигналу:

Враховуючи, що коливальна швидкість дорівнює діє на провідник силі, поділеній на механічний опір:

і, що сила визначається твором тиску на площу провідника:

одержимо рівняння для визначення акустичної чутливості в такій системі:

Рис.3. Електродинамічна система

Принцип електродинамічної системи перетворення проявляється при акустичному впливі на електродинамічні головки гучномовців, вторинні годинники системи електро-часофікації, трансформатори, дроселі та ін.

Змінюючи параметри, що входять в рівняння для визначення акустичної чутливості, можна домогтися зниження чутливості елементів ДТЗС. Для цього, наприклад, в трансформаторах застосовують заливку компаундом витків на сердечнику, що збільшує їх механічне опір (тертя).

Електромагнітна система. Принцип перетворення полягає в індукуванні ЕРС сигналу в обмотці при зміні магнітного потоку. Магнітна ланцюг перетворювача містить постійний магніт NS з полюсними наконечниками і гнучку пластину (якір) з феромагнітного матеріалу, один кінець якої закріплений на полюсному наконечнику (рис.4).

Рис.4. Електромагнітна система

Якщо якір буде приведений в коливальний рух під дією сили, то це призведе до зміни зазору і відповідно до зміни магнітного потоку і появі ЕРС в обмотці. Рівняння чутливості має вигляд:

де S₁ - площа полюсного наконечника з боку зазору; μ₀ - магнітна проникність; S₂- площа якоря; Ф – магніторушійна сила постійного магніту; w - число витків в обмотці; а - величина зазору.

Прикладами перетворювачів електромагнітної системи є електромагнітні реле, електричні дзвінки, електромагнітні телефонні капсулі та ін. В описаних системах не завжди представляється можливим зменшити акустичну чутливість при збереженні необхідних робочих параметрів.

Слід враховувати і те, що в пристроях, що працюють за цим принципом, при подачі в обмотку постійного струму зменшується зазор і в а2 разів збільшується акустична чутливість. Реально шляхом подачі постійного струму в обмотку деяких реле вдається приблизно на порядок збільшувати їх чутливість до звукового полю. Цей ефект слід враховувати при визначенні необхідного загасання пристроїв захисту.

Механострикційна система. Принцип роботи системи заснований на властивості магнітних матеріалів змінювати намагніченість під дією зовнішньої сили. Якщо на сердечнику з магнітного матеріалу розмістити обмотку, то вплив звукового поля на сердечник призведе до появи в його обмотці ЕРС сигналу. Подібний ефект властивий трансформаторів, дроселів, електромагнітним реле та іншим елементам. Чутливість системи залежить від магнітострикційне постійної сердечника. Як показав досвід, при зміні процентного вмісту кремнію в складі сплаву, з якого виготовляється сердечник, можна істотно зменшити цю величину.

П'єзоелектрична система. Принцип перетворення системи заснований на властивості ЕРС на гранях деяких кристалів при впливі зовнішньої механічної сили. П'єзоелектрики є сегнетоелектричні матеріали, кварц і ряд напівпровідникових сполук - GaA3; CdS; Z_nO.

Подібний ефект властивий деяким датчикам охоронної сигналізації, п'єзоелектричним телефонним капсулам, п'єзоелектричним гучномовним голівкам, лініям затримки, фільтрам та ін.

Мікрофонний ефект в радіолампах. Внаслідок механічного переміщення електродів лампи виникають зміни крутизни (якщо, наприклад, змінюється відстань катод-сітка), або проникності (якщо змінюється відстань сітка-анод), або міжелектродних ємностей. Залежно від положення робочої точки переважає той чи інший вид мікрофонного ефекту. В підсилювачах низької частоти (ПНЧ) він призводить до виникнення посилених небезпечних сигналів; в лампах, що працюють на високих частотах, він викликає низькочастотну модуляцію (амплітудну або частотну) коливань високої частоти. Мікрофонний ефект в ПНЧ особливо небезпечний у першій лампі. На високій частоті дія звуку на всі лампи приблизно однаково. Для зниження мікрофонного ефекту рекомендується застосовувати звукопоглинаючі прокладки (гуму або фетр) або використовувати спеціальні пружні демпфуючі цоколі.

Опишемо деякі технічні засоби, чутливі до акустичного впливу небезпечних сигналів.

До складу телефонного апарату входить викличний дзвінок, підключений до лінії через конденсатор при встановленій телефонній трубці. Дзвінок являє собою електромагнітну систему в муздрамтеатрі, в якій є залишкова індукція. Тому переміщення якоря (ударника дзвінка) під дією акустичного поля призводить до появи ЕРС небезпечного сигналу на обмотці дзвінка і, отже, в телефонній лінії. Як вказувалося вище, чутливість викличного дзвінка для більшості типів телефонних апаратів знаходиться в межах 0,05-10 мВ / Па.

До складу телефонного апарату входять і інші елементи, чутливі до електричного, магнітного, а також акустичному полях, такі, як телефон і трансформатор. Так, наприклад, чутливість не залитого трансформатора становить 10-200 мкВ / Па.

Якщо телефон екранований і коли слухавку відключається тільки один кінець, відповідний до лінії, то між іншим кінцем лінії і екраном (землею) з'явиться сигнал в результаті акустичного впливу на телефон і трансформатор.

Електричний годинник, що працюють від системи єдиного часу, містять постійний магніт, в полі якого є обмотка і рухливий елемент (якір), пов'язаний з механізмом переміщення стрілок. При дії акустичного поля в обмотці виникає ЕРС небезпечного сигналу. Чутливість годин залежно від марки коливається в межах від 100 до 500 мкВ / Па.

Електричний вентилятор в режимі малих обертів під впливом акустичного поля звукових частот утворює в мережі живлення ЕРС небезпечного сигналу. Його чутливість становить 10-100 мкВ / Па.

Чутливість акустичного перетворення практично у всіх описаних прикладах можна знизити шляхом застосування акустичних екранів. Так, заливка трансформатора, розміщеного в металевому екрані, в'язким компаундом на кілька порядків знижує його акустичну чутливість.

У тих випадках, коли конструктивними заходами не вдається зменшити рівень небезпечного сигналу до необхідної величини, застосовують пасивні та активні пристрої захисту.