Dispozitive acustice cu rază lungă de acțiune

Dispozitive acustice cu rază lungă de acțiune

130dB la 50m cu ajutorul piezoceramicii!

Geier A.F.
Macovki pe teremahs au fost strâmbați,
Ochelarii de pe ferestre s-au spart,






Din curte toti caii au fugit,
Toți prinții cu boierii au murit.

(Din epica "Ilya din Murom și Nightingale the Robber")

Dacă fluierul nocturnei nu are o direcție predominantă în spațiu, atunci puterea acustică Pa poate fi calculată din formula:

.

Calculam și intrăm în tabel valorile puterii de radiație necesare pentru a furniza anumite valori ale presiunii acustice la anumite distanțe.

Puterea emisă în wați la o presiune sonoră dată, observată la distanță:

Să reamintim că pentru a emite un sunet cu astfel de valori ale puterii acustice, este necesar să aducem mai multă putere electrică de ordinul magnitudinii, deoarece traductoarele electro-acustice sunt extrem de ineficiente. Dintre toate tipurile de traductoare electroacustice, piezoceramica este cea mai eficientă. Se poate converti pentru a suna până la 15% din puterea electrică, totuși, vom face o rezervare, la frecvența de rezonanță. Chiar și cu o frecvență destul de moderată, 110-130 dB (dacă se poate numi moderată), puterea care trebuie furnizată convertorului este extrem de ridicată, mai ales dacă o astfel de intensitate trebuie furnizată la o distanță considerabilă. Această problemă devine complet rezolvată dacă radiația este concentrată într-un unghi solid îngust, prin renunțarea la radiațiile nedirecționale. Deci, dacă sunetul este direcționat spre emisferă (un unghi solid de 180 °), atunci este nevoie de jumătate din putere. Dacă unghiul de divergență al fasciculului este de 10 °. atunci puterea necesară este de 500 de ori mai mică.
Direcționarea radiației într-un unghi îngust îngust, în principiu, nu este dificilă. Pentru a face acest lucru, este necesar să se ia un număr suficient de traductori electroacustici separați pentru a le aranja într-un plan cât mai aproape de celălalt și pentru a produce oscilații la aceeași frecvență, cu aceeași fază și aceeași amplitudine. În acest caz, trebuie îndeplinită următoarea condiție: dimensiunea unui astfel de sistem trebuie să depășească în mod repetat lungimea de undă a sunetului în aer. Un astfel de sistem va emite un val de avion la o distanță r egală cu:

Aici d este dimensiunea sistemului radiant, este lungimea de undă a sunetului.
Distanța r este așa-numita zonă apropiată. Presiunea sonoră din zona apropiată este constantă de la 0 la r. La o distanță mai mare decât r (zona îndepărtată), fasciculul sonor începe să se desprindă, iar presiunea acustică scade proporțional cu distanța. Astfel, fiecare distanță de dublare reduce volumul cu jumătate sau cu 6 decibeli. În acest caz, unghiul de divergență al razei va fi determinat în conformitate cu legea:

Aceste date teoretice cunoscute se referă la un model care este un plan care oscilează paralel cu el însuși. În imediata vecinătate a sistemului real de traductoare electro-acustice, câmpul sonor nu este în mod evident omogen. Este logic să presupunem că suprafața imaginară la o distanță de ordinea perioadei traductoarelor sau, dimensiunile transversale, va corespunde modelului teoretic.

Să formăm acum principalele considerente pentru realizarea unui puternic emițător de direcție de sunet.
1) Frecvența sunetului. Gama radiatorului este proporțională cu distanța r a zonei apropiate, care, la rândul său, este proporțională cu 1 /, adică cu frecvența. Prin urmare, frecvența trebuie aleasă cât mai mare posibil, dar nu mai mare de aproximativ 3 kHz, deoarece la frecvențe mai mari sensibilitatea organelor auditive scade.
2) mărimea și forma sistemului radiant. Dimensiunea zonei apropiate și, respectiv, distanța sunt proporționale cu dimensiunea d a sistemului radiant. Deci, dacă d = 10, dimensiunea zonei apropiate va fi de 10 metri. În zece metri, volumul nu scade. La 20 de metri volumul va fi dublat sau 6 dB mai mic, 40 m - de patru ori sau 12 dB, etc. Dacă sistemul radiant este realizat sub formă de pătrat sau cerc, atunci fasciculul de sunet se diferențiază în mod egal în direcțiile verticale și orizontale. Dacă sistemul radiant este întins (un dreptunghi, un oval), atunci dimensiunile zonelor apropiate și divergența razei vor fi diferite în planurile reciproc perpendiculare. Dimensiunea mai mare a radiatorului formează un fascicul îngust.
3) Traductor electroacustic. Intervalul de acțiune este distanța de la radiator până la punctul în care se observă amploarea presiunii acustice determinată de orice criterii arbitrare. Intervalul depinde de dimensiunea zonei apropiate și de presiunea acustică din interiorul acesteia. Experimental: presiunea acustică în zona apropiată este aceeași și nu poate fi mai mare decât cea dezvoltată de un traductor electroacustic separat, la o distanță de el însuși, egală cu diametrul său propriu.

Astfel, configurația zonei apropiate este determinată de dimensiunile sistemului radiant și presiunea acustică în interiorul acestuia este determinată de un traductor electroacustic separat și este independent de numărul lor. Este important să rețineți că domeniul emițătorului direcțional depinde în mod esențial de calitatea convertorului. Fără a schimba dimensiunea radiatorului și numărul de traductoare, dar folosind un convertor care sună doar cu 6dB mai tare, puteți dubla intervalul.
Folosind aceste considerente, vom compila o tabelă generală (Tabelul 2) pentru dependența presiunii acustice de distanța, care poate fi ușor specificată pentru orice radiator având forma unui pătrat sau a unui hexagon. Această formă este rezultatul unui aranjament dens al traductoarelor. Distanța de la emițător va fi indicată de un multiplu de r.

Distanța de la emițător, m

În acest tabel r - dimensiunea zonei apropiate, calculată prin formula 2; p0 este presiunea sonoră a unui traductor separat, măsurată la o distanță egală cu dimensiunea transversală.
Să trecem acum la cazuri concrete. De exemplu, se calculează principalele caracteristici ale celor două variante ale emițătorilor direcți. În prima variantă, numărul de traductoare este de 100 buc. în cea de-a doua versiune - 16. Rezultatul calculului pentru a doua variantă va fi util ulterior pentru estimarea modelului real al radiatorului direcțional alcătuit din 16 convertoare. În calcul, presupunem utilizarea traductoarelor electroacustice piezoceramice descrise în articolul "Emitatoare de sunet piezoceramice" (www.avrora-binib.ru). Diametrul convertorului este de 10 cm. Presiunea sonoră la o distanță de 10cm -144dB. Frecvența sunetului este de 2,9 kHz (= 12 cm). Pentru prima variantă, dimensiunea emițătorului este de 1 m, iar cea de-a doua - 0,4 m.

Calculul presiunii acustice în funcție de distanță.
Calculăm mărimea r din zona apropiată cu formula 2. Pentru prima variantă va fi de 8,3 m. Pentru al doilea - 1,3 m. Să compunem o tabelă de presiuni sonore (Tabelul 3). Este ușor de observat că intervalul de acțiune este proporțional cu zona radiatorului.

Distanța de la radiator, m

Distanța de la radiator, m

Unghiuri de divergență a razei sonore
Unghiurile corespunzătoare divergenței razelor sonore 1 și 2, calculate conform formulei 3, sunt:

1 = arcsin0,12 / 1 = 6,9 °;

2 = arcsin 0,12 / 0,4 = 17,5 °.

Calculul puterii acustice
Vom modifica formula 1, folosind faptul că în zona apropiată există un val de avion cu o suprafață egală cu aria radiatorului. Apoi primim următoarea formulă de calcul simplu:

În care - presiunea acustică în Pa a unui convertor individual la o distanță egală cu diametrul acestuia; S este zona radiatorului în m2. Puterea acustică calculată pentru aceste formule pentru prima variantă este:

Acestea sunt rezultatele calculării caracteristicilor de bază ale emițătorului de direcție. Acum, să ne imaginăm modelul real al radiatorului. Are o dimensiune de 0,4 x 0,4 m și constă din 16 traductoare electro-acustice. Figura 1 prezintă imaginea fotografică a modelului din partea laterală a suprafeței sale radiante. Pentru a asigura coerența, convertoarele sunt conectate în paralel, luând în considerare polaritatea elementelor piezoelectrice. Emițătorul funcționează de la un oscilator dreptunghiular special proiectat, cu o amplitudine de 48V cu o frecvență de 2,9 kHz. Pentru o reglare mai precisă, este asigurat un control al frecvenței netede. Ca sursă de energie

bateriile utilizate 12V, 7A-h, conectate în serie 4 buc. Presiunea sonoră a fost măsurată prin sonometre VSHB-003 și CENTER-320. Figurile 2 și 3 prezintă principalele caracteristici ale radiatorului - dependența presiunii acustice de distanța și modelul de radiație.

Pentru a discuta rezultatele măsurătorilor, rețineți următoarele. Pentru comoditate în compararea dependențelor calculate și experimentale, distanța de-a lungul abscisei din figura 2 este reprezentată grafic la o scară logaritmică, deoarece în acest caz graficul calculat este o linie dreaptă. Dependența experimentală este nesemnificativ diferită de dependența liniară datorată incorectitudinii metodologice. Presiunea sonoră la 2,5 dB este mai mică decât presiunea de proiectare, adică ceea ce s-ar aștepta dacă ar fi fost furnizată o identitate mai mare a traductoarelor. Unghiul divergenței fasciculului de sunet (figura 3) este de asemenea apropiat de cel calculat.

Unde p о = 20х 101 -6 Pa, determinăm valoarea absolută în Pa a presiunii acustice p. Ca ​​rezultat, obținem 794 Pa. Folosind formula (4), obținem valoarea puterii acustice:

Probleme și dezavantaje

Cercetările preliminare efectuate au arătat că, pe baza unor rezultate teoretice bine cunoscute, este posibilă prezicerea cu încredere a caracteristicilor emițătoarelor de direcție. În al doilea rând, traductorii electroacustici piezoceramici menționați mai sus, care sunt aplicați emițătorilor direcți de sunet, au potențialul de a obține performanțe fără precedent în ceea ce privește intervalul. Testarea aspectului actual a permis identificarea problemelor și a deficiențelor, care, în general, nu este o surpriză. Ele ne permit să determinăm subiectul și direcția de cercetare ulterioară. Să ne ocupăm de unele probleme.

1. Structura constructivă. Așa cum se poate vedea din figura 1, radiatorul constă din patru blocuri de patru traductoare. Acest lucru a făcut imposibil echiparea transmițătorului cu traductoare identice. Pentru a forma un val plan în zona apropiată și pentru a obține un unghi mic de divergență al fasciculului de sunet, este necesar să se asigure o distribuție uniformă a fazei amplitudine a oscilațiilor elementelor radiante. Uniformitatea distribuției de fază este asigurată automat prin conectarea paralelă a convertizoarelor. Este necesar, doar pentru a asigura constanța amplitudinii prin achiziția traductoarelor, în principal la frecvența rezonantă.

Schema schematică a dispozitivului terminal al generatorului pentru alimentarea structurii emițătorului de direcție.

ciclul de funcționare 2, alimentat la baza tranzistorilor T1 T2 - fază "splittere". cheie de pe FET de putere cu punte furnizează energie la sursa de tensiune otistochnika emițător (baterii) la schimbarea polarității cu frecvența sunetului. Astfel, la ieșirea generatorului (pe radiator) acționează o tensiune dreptunghiulară, unidirecțională. Oscilațiile mecanice ale traductoarelor electroacustice sunt armonice. Prin urmare, emițătorul reprezintă o sarcină numai pentru prima armonică. Armonice mai mari nu sunt în cerere. Ponderea acestora în bilanțul energetic este de 14,6% și, la capacități mari, aduce prejudicii concrete. Deci, au existat cazuri de distrugere a piezoelementelor, eșecul tranzistorilor podului și alte elemente ale circuitului generatorului.
3. Traductor electroacustic. Datorită tradiției, traductorul utilizează elemente piezoelectrice din piezoceramică fero-moale. Împreună cu mai mare piezoceramice piezoactivity segnetomyagkoy caracterizate prin pierderi crescute dielectrice, în special în domenii puternice. Astfel, în conformitate cu specificațiile (OST 11 0444-87), piezoceramice de brand TSTSNV-1, care este utilizat în convertoarele de mai sus, are o pierdere tangenta dielectric de 1,9% la câmpuri joase și 30% în domenii puternice. În clasele feroelectrice ale piezoceramicii tg în câmpuri slabe sub 1% și în câmpuri puternice - procente. Un câmp slab este intensitatea de până la 25V / mm. Campuri puternice - de la 300V / mm. Având în vedere că grosimea elementelor piezoelectrice convertoare de 0,3 mm, constatăm că pentru ei slabi câmp limitat de tensiune 7.5V. Amplitudinea tensiunii de operare 48V corespunde intensității câmpului de 160V / mm. În acest caz, eficiența conversiei scade, nu se realizează mai multe decibeli de presiune acustică. Datorită încălzirii elementelor piezoelectrice, timpul pentru sunet este limitat.
Rezolvarea acestor probleme și a altor probleme va face reală crearea unei instalații fiabile care să asigure o presiune sonoră de 130 dB la o distanță de 50 m.

Gama dinamică a sunetelor percepute de urechea umană este izbitoare. Presiunea sonoră a celui mai slab sunet diferă de cel mai puternic (prag de durere) de aproape trei milioane de ori! Valorile corespunzătoare ale intensității (caracteristică energetică, W / m 2) diferă de 10 000 000 000 000 de ori! Pe raza auditivă de presiune acustică doar 20 mikropaskal și intensivnostetogo sunet destul de microscopice, aproximativ 10 -12 W / m 2. Este această proprietate a urechii umane se datorează posibilității de comunicare pe distanțe lungi prin codul Morse este radiouri destul de simplu, deoarece al doilea război mondial.
Dimpotrivă, prin crearea unui sunet la celălalt capăt al gamei dinamice, observăm astfel de valori ale intensității oscilațiilor sonore care apar problemele tehnice pentru implementarea lor.
Am arătat realitatea creării unei instalații mobile, care poate oferi o presiune sonoră de 130 dB la 50 de metri. Pentru a crea o astfel de presiune acustică la 50m, sunt necesare 100 de traductoare foarte eficiente și o sursă de alimentare de 2 - 2,5 kW.
Creșterea suplimentară a acestor indicatori devine imposibilă sau impracticabilă din cauza problemelor legate de aprovizionarea cu energie (sistem de alimentare greu accesibil). la fiecare 3 decibeli de presiune acustică este necesară dublarea consumului de energie. Bineînțeles, nu există restricții fundamentale pentru crearea unui robot staționar de Nightingale cu o stație electrică.

Articole similare

• Principiul funcționării, designului și caracteristicilor centralelor termice - stadopedia

Trimiteți-le prietenilor: