Акустичні пристрої дальньої дії
130дБ на 50м за допомогою пьезокераміки!
Гейер А.Ф.
Маківки на теремах покривилися,
Скельця в віконницях полопалися,
Знадвору все коні розбіглися,
Всі князі з боярами полягли трупом.
(З билини «Ілля Муромець і Соловей-розбійник»)
Якщо свист Солов'я-розбійника не має переважного напрямку в просторі, то акустичну потужність Ра можна обчислити за формулою:
.
Розрахуємо і занесемо в таблицю значення потужності випромінювання, необхідні для того, щоб забезпечити деякі величини звукового тиску на певних відстанях.
Випромінювана потужність в ватах при заданому звуковому тиску, який спостерігається на відстані:
Нагадаємо, щоб випромінювати звук з такими значеннями акустичної потужності необхідно підвести на порядок більше електричну потужність, так як електроакустичні перетворювачі вкрай неефективні. З усіх типів електроакустичних перетворювачів найбільш ефективний пьезокерамический. Він може перетворити в звук до 15% електричної потужності, однак, зауважимо, на резонансній частоті. Навіть при цілком помірних громкостях звучання, 110-130дБ, (якщо можна їх назвати помірними) потужність, яку необхідно підвести до перетворювача, надзвичайно велика, особливо якщо таку гучність треба забезпечити на значній відстані. Це завдання стає цілком можливо розв'язати, якщо випромінювання зосередити у вузькому тілесному куті, відмовившись від ненаправленного випромінювання. Так, якщо звук направити в півсферу (тілесний кут 180 о), то буде потрібно вдвічі менша потужність. Якщо кут розбіжності променя 10 о. то необхідна потужність в 500 разів менше.
Направити випромінювання в межах вузького тілесного кута, в принципі, нескладно. Для цього необхідно взяти достатню кількість окремих електроакустичних перетворювачів, розташувати їх в одній площині можливо ближче один до одного і змусити коливатися на одній частоті, з однаковою фазою і з однаковою амплітудою. При цьому повинна виконуватися умова: розмір такої системи повинен багаторазово перевищувати довжину хвилі звуку в повітрі. Така система буде випромінювати плоску хвилю до відстані r, рівного:
Тут d- розмір випромінюючої системи, - довжина хвилі звуку.
Відстань r- це так звана ближня зона. Звуковий тиск в ближній зоні постійно від 0 до r.На відстані більше r (далека зона) звуковий промінь починає розходитися, а звуковий тиск падати пропорційно відстані. Так, кожне подвоєння расстояніяуменьшает гучність вдвічі, або на 6 децибел. При цьому кут розбіжності променя буде визначатися за законом:
Ці відомі теоретичні відомості відносяться до моделі, що представляє собою площину, що коливається паралельно собі. У безпосередній близькості від реальної системи електроакустичних перетворювачів звукове поле, очевидно, не є однорідним. Логічно припустити, що уявна поверхня на видаленні порядку періоду розташування перетворювачів або, що те ж саме, їх поперечного габариту, буде відповідати теоретичної моделі.
Сформулюємо тепер основні міркування щодо здійснення потужного спрямованого випромінювача звуку.
1) Частота звуку. Дальність дії випромінювача пропорційна відстані r ближньої зони, яке, в свою чергу, пропорційно 1 /, тобто частоті. Тому частоту треба вибрати можливо вище, але не більше ніж близько 3кГц, так як на більш високих частотах чутливість органів слуху зменшується.
2) Розмір і форма випромінюючої системи. Розмір ближньої зони і, відповідно, дальність пропорційні розміру d випромінює системи. Так, якщо d = 10, розмір ближньої зони буде дорівнює 10 метрів. В межах десяти метрів гучність не зменшується. На 20 метрах гучність буде вдвічі або на 6дБ менше, на 40м - вчетверо або на 12дБ і т.д. Якщо випромінююча система виконана у вигляді квадрата або кола, то звуковий промінь розходиться однаково по вертикалі і горизонталі. Якщо випромінююча система витягнута (прямокутник, овал), то розміри ближніх зон і розбіжність променя будуть різними у взаємно перпендикулярних площинах. Більший розмір випромінювача формує більш вузький промінь.
3) Електроакустичний перетворювач. Дальність дії - це відстань від випромінювача до точки, де спостерігається величина звукового тиску, задана з будь-яких довільних критеріїв. Дальність залежить від розміру ближньої зони і звукового тиску в її межах. Експериментальний факт: звуковий тиск в ближній зоні таке ж і не може бути більше, ніж розвивається окремим електроакустичним перетворювачем на відстані від себе, що дорівнює своєму ж діаметру.
Таким чином, конфігурація ближньої зони визначається розмірами випромінюючої системи, а звуковий тиск в її межах - окремим електроакустичним перетворювачем і не залежить від їх кількості. Важливо зауважити, що дальність дії спрямованого випромінювача істотно залежить від якості перетворювача. Не змінюючи розмірів випромінювача і кількості перетворювачів, але застосувавши перетворювач, який звучить всього на 6дБ голосніше, можна вдвічі збільшити дальність дії.
Використовуючи ці міркування, складемо загальну таблицю (табл.2) залежно звукового тиску від відстані, яку легко конкретизувати для будь-якого випромінювача, що має форму квадрата або шестикутника. Така форма - результат щільного компонування перетворювачів. Відстань від випромінювача будемо вказувати кратним r.
Відстань від злучателя, м
У цій таблиці r - розмір ближньої зони, що розраховується за формулою 2; ро - звуковий тиск окремого перетворювача, виміряний на відстані, рівному його поперечного розміру.
Перейдемо тепер до конкретних випадків. Як приклад розрахуємо основні характеристики двох варіантів спрямованих випромінювачів. У першому варіанті кількість перетворювачів 100 шт. у другому варіанті - 16. Результат розрахунку за другим варіантом надалі стане в нагоді для оцінки реального макета спрямованого випромінювача, складеного з 16 перетворювачів. У розрахунку припускаємо застосування пьезокерамических електроакустичних перетворювачів, описаних в статті «Пьезокерамические випромінювачі звуку» (www.avrora-binib.ru). Діаметр перетворювача 10см. Звуковий тиск на відстані 10см -144дБ. Частота звуку 2,9кГц (= 12 см). Для першого варіанту розмір випромінювача 1м, для другого - 0,4 м.
Розрахунок звукового тиску в залежності від відстані.
Обчислимо за формулою 2 розмір r ближньої зони. Для першого варіанту він складе 8,3м. Для другого - 1,3 м. Складемо таблицю звукових тисків (табл. 3). Неважко помітити, що дальність дії пропорційна площі випромінювача.
Відстань від випромінювача, м
Відстань від випромінювача, м
Кути розбіжності звукових променів
Відповідні кути розбіжності звукових променів 1 і 2, розраховані за формулою 3, складуть:
1 = arcsin0,12 / 1 = 6,9 o;
2 = arcsin0,12 / 0,4 = 17,5 o.
Розрахунок акустичної потужності
Видозмінимо формулу 1, використовуючи ту обставину, що в ближній зоні має місце плоска хвиля з площею, яка дорівнює площі випромінювача. Тоді отримаємо наступну просту розрахункову формулу:
В якій - звуковий тиск в Па окремого перетворювача на відстані, рівному його діаметру; S - площа випромінювача в м 2 .Вичісленная за цими формулами акустична потужність для першого варіанту складе:
Такими є результати розрахунку основних характеристик спрямованого випромінювача. Тепер уявімо реальний макет випромінювача. Він має розмір 0,4 х 0,4 м і складається з 16 електроакустичних перетворювачів. На рис 1 показано фотозображення макета з боку його поверхні, що випромінює. Для забезпечення когерентності перетворювачі з'єднані паралельно з урахуванням полярності п'єзоелементів. Випромінювач функціонує від спеціально сконструйованого генератора прямокутних коливань амплітудою 48В з частотою 2,9 кГц. Для більш точного налаштування в резонанс передбачена плавне регулювання частоти. В якості джерела живлення
Рис.1. Макет спрямованого випромінювача.
використовувалися акумулятори 12В, 7А-ч, з'єднані послідовно 4 шт. Звуковий тиск вимірювався шумомірами ВШВ-003 і CENTER-320. На малюнках 2 і 3 представлені основні характеристики випромінювача - залежність звукового тиску від відстані та діаграма спрямованості випромінювання.
В порядку обговорення результатів вимірювань зазначимо таке. Для зручності порівняння розрахункової і експериментальної залежностей відстань по осі абсцис на рис.2 відкладено за логарифмічною шкалою, так як в цьому випадку розрахунковий графік - пряма лінія. Експериментальна залежність несуттєво відрізняється від лінійної іскор обумовлена методичними неточностями. Звуковий тиск на 2,5дБ нижче розрахункового, тобто того, яке слід було б очікувати, якби була забезпечена більш висока ідентичність перетворювачів. Кут розбіжності звукового променя (Рис.3) також близький до розрахункового.
Рис.2. Розрахункова та експериментальна залежності звукового тиску від відстані від випромінювача.
Мал. 3. Діаграма спрямованості макета
спрямованого випромінювача.
Де p о = 20х 101 -6 Па, визначимо абсолютне значення в Па звуковий тиск p.В результаті отримаємо 794 Па. Скориставшись формулою (4), отримаємо значення акустичної потужності:
Проблеми та недоліки
Виконане попереднє дослідження показало, що на основі загальновідомих теоретичних результатів можна з упевненістю прогнозувати характеристики спрямованих випромінювачів звуку. По-друге, вищевказані пьезокерамические електроакустичні перетворювачі, будучи застосовані в спрямованих випромінювачів звуку, мають потенціал отримати безпрецедентні показники по дальності дії. Випробування діючого макету дозволило виявити проблеми та недоліки, що, в общем-то, не є несподіванкою. Вони дозволяють визначити предмет і напрямок подальших досліджень. Зупинимося на деяких проблемах.
1.Конструктівное виконання макета. Як видно з рис.1, випромінювач складається з чотирьох блоків по чотири перетворювача. Це не даловозможность скомплектувати випромінювач ідентичними перетворювачами. Для формування плоскої хвилі в ближній зоні і отримання малого кута розбіжності звукового променя потрібно забезпечити рівномірний амплітудно-фазовий розподіл коливань випромінюючих елементів. Рівномірність фазового розподілу забезпечується автоматично, паралельним з'єднанням перетворювачів. Необхідно, лише забезпечити сталість амплітуди комплектуванням перетворювачів, переважно по резонансній частоті.
Принципова схема кінцевого пристрою генератора для живлення макета спрямованого випромінювача звуку.
скважностью 2, що подаються на бази транзисторів Т1 Т2 - «розщеплювачів» фази. Мостовий ключ на потужних польових транзисторах забезпечує подачу на випромінювач напруги отісточніка харчування (акумулятори) зі зміною полярності зі звуковою частотою. Таким чином, на виході генератора (на випромінювачі) діє прямокутне різнополярних напруга. Механічні ж коливання електроакустичних перетворювачів являютсягармоніческімі. Тому випромінювач являє собою навантаження тільки для першої гармоніки. Вищі ж гармоніки не затребувані. Їх частка в енергетичному балансі становить 14,6% і, при великих потужностях, завдає істотної шкоди. Так, мали місце випадки руйнування п'єзоелементів, виходу з ладу транзисторів моста і інших елементів схеми генератора.
3.Електроакустіческій перетворювач. В силу традиції, в перетворювачі застосовані п'єзоелементи з сегнетом'яку п'єзокераміки. Поряд з більш високою п'єзоактиивних сегнетом'яку п'єзокераміка властиві підвищені діелектричні втрати, особливо в області сильних полів. Так, згідно з технічними умовами (ОСТ 11 0444-87), п'єзокераміка марки ЦТСНВ-1, яка використана в згаданих перетворювачах, має тангенс кута діелектричних втрат 1,9% в слабких полях і 30% в сильних полях. У сегнетожёсткіх марок п'єзокераміки tgв слабких полях менше 1% і в сильних полях - одиниці відсотків. Слабким полем вважається напруженість до 25В / мм. Сильні поля - від 300В / мм. З огляду на, що товщина п'єзоелементів перетворювачів 0,3мм, отримаємо, що для них слабкі поля обмежуються напругою 7,5 В. Амплітуда робочої напруги 48В відповідає напруженості поля 160В / мм. У цьому випадку зменшується ефективність перетворення, не реалізуються кілька децибел звукового тиску. Через розігріву п'єзоелементів обмежується час звучання.
Рішення перерахованих і деяких інших проблем зробить реальним створення надійної установки, яка б забезпечила звуковий тиск 130дБ на відстані 50м.
Разючий динамічний діапазон звуків, що сприймаються людським вухом. Звуковий тиск найслабшого звуку відрізняється від самого сильного (больовий поріг) майже в три мільйони разів! Відповідні значення інтенсивності (енергетична характеристика, Вт / м 2) відрізняються в 10 000 000 000 000 разів! На межі чутності звуковий тиск всього 20 мікропаскаль, а інтенсівностьетого звуку зовсім мікроскопічна, близько 10 -12 Вт / м 2. Саме цією властивістю людського вуха пояснюється можливість телекомунікації за допомогою азбуки Морзе досить простими радіостанціями часів другої світової війни.
Навпаки, створюючи звук на іншому кінці динамічного діапазону, ми спостерігаємо такі значення інтенсивності звукових коливань, що виникають технічні проблеми для їх здійснення.
Ми показали реальність створення мобільної установки, яка може забезпечити звуковий тиск 130дБ на 50 метрах. Для створення такогозвукового тиску на 50м потрібно 100 високоефективних перетворювачів і потужність джерела живлення 2 - 2,5 кВт.
Подальше збільшення цих показників стає неможливим або недоцільним через проблеми енергозабезпечення (громіздкість системи харчування) тому кожні 3 децибели звукового тиску вимагає подвоєння споживаної потужності. Зрозуміло немає прінціпіальнихограніченій для створення такого стаціонарнрго Солов'я-розбійника з електропідстанцією.