Градиент звукового давления что такое

Микрофон с градиентом давления

Оглавление

Принцип и характеристики

Эта разница возникает из-за того, что звук должен блуждать по мембране, чтобы воздействовать и на ее тыльную сторону. Время Δt, необходимое для этого, приводит к «перепаду давления» (градиенту давления).

Если сигнал попадает на мембрану точно сбоку (90 °), разницы давлений нет, и, следовательно, мембрана не движется. Это также означает, что при воздействии звука на мембрану полярность результирующего микрофонного сигнала меняется на противоположную (инвертируется напряжение).

Акустические характеристики микрофона с градиентом давления

Микрофоны с градиентом давления не подходят для записи самых низких частот. Самая низкая частота, которая может быть представлена, зависит от объезда Δt, который должен пройти звук, чтобы компенсировать градиент давления на обратной стороне мембраны.

Направленные характеристики

Рисунок 8: процент
градиента давления
100%

Процент
градиента гиперкардиоидного давления
75%

Доля суперкардиоидного
градиента давления
63,4%

Кардиоидный
градиент давления
50%

Доля субкардиоидного
градиента давления
33,3%

составляющая всенаправленного
градиента давления
0%

Все характеристики направленности, кроме сферы ( микрофон давления ), могут быть достигнуты только с помощью микрофонов с градиентом давления. Большинство имеющихся в продаже микрофонов имеют акустическую конструкцию микрофона с градиентом давления. В случае микрофона, который нельзя переключить, только характеристика направленности сферы указывает на акустическую конструкцию микрофона высокого давления.

Источник

Звуковое давление и его уровни (spl)

В настоящее статье поговорим о том, что такое звуковое давление, рассмотрим понятие (импеданс) — удельное акустическое сопротивление среды. Также поговорим об уровнях звукового давления и интенсивности звука.

Чтобы лучше понимать о чём сегодня пойдёт речь, советую прочитать предыдущую статью по этой теме ( звуковые волны, виды, длина волны и скорость звука ).

Звуковое давление

Звуковая волна, как мы уже рассматривали в прошлой статье, распространяется в среде в виде волн сжатия и разряжения плотности.

В газах (в том числе и воздухе) плотность и давление связаны между собой:

p = RTp

А поскольку у волны имеются области сжатия и разряжения, то в первой области давление будут выше статического атмосферного. А в случае разряжения – ниже.

Вот как это выглядит:

Разность между мгновенным значением давления в данной точке среды и атмосферным давлением называется звуковым давлением.

Звуковое давление измеряется в паскалях (Па): 1 Па = 1 Н/м².

Наша слуховая система может определять очень большой диапазон разностей между мгновенным значением звукового давления и атмосферным.

На рисунке ниже представлено, различное звуковое давление от звуковых источников в децибелах (про децибелы подробнее читай далее):

Импеданс

Рассматривая звук, в прошлой статье ( читать ) мы выяснили, что звуковая волна зависит от частоты и амплитуды звукового давления. Если тело оказывает большое сопротивление приложенному звуковому давлению, то частицы приобретают малую скорость.

Поэтому импеданс – это удельное акустическое сопротивление среды. Представляет из себя отношение звукового давления к скорости колебаний частиц среды:

Z = p/v

Измеряется в (Па · с)/м или кг/(с · м²).

Удельное акустическое сопротивление для воздуха составляет (при температуре 20 С°) 413 кг/(с · м²). В металле, к примеру, оно составляет 47,7 × 10 кг/(с · м²). Так как в воздухе импеданс достаточно мал, то и излучаемая полезная энергия также мала.

Если рассматривать КПД (коэффициент полезного действия) музыкальных инструментов, голосового аппарата, громкоговорителей и т. п., то оно в воздухе находится в пределах 0,2-1%.

Энергетические параметры

Звуковая волна переносит энергию механических колебаний, значит она имеет энергетические параметры. Среди которых: акустическая энергия P (Дж); мощность W – энергия, переносимая в единицу времени (Вт); интенсивность I – количество энергии, проходящее в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной к направлению распространения волны (Вт/м²); плотность – количество звуковой энергии в единице объёма (Дж/м²).

Уровни звукового давления (анг. SPL, sound pressure level)

Восприятие громкости человеком происходит не по линейному закону, пропорционально амплитуде колебаний, а по логарифмическому. Поэтому для определения параметров звука применяют логарифмические шкалы.

Человек различает огромный диапазон изменения звукового давления от тихого 2 × 10 ⁻⁵ Па до очень громкого 20 Па. Разница составляет 10⁶.

Использовать такую школу очень неудобно. Поэтому в измерительных приборах пользуются логарифмическими единицами – децибелами (дБ). Эта единица происходит от другой – бел, который равен десятикратному изменению интенсивности звука. Однако бел – единица крупная и неудобная для измерений. Поэтому применяется её десятая часть – децибел.

Уровень звукового давления определяется как:

L = 20 lg p/p₀

Например, если звуковое давление p = 2 Па, то уровень звукового давления равен: L = 20 lg (2 Па/(2 × 10 ⁻⁵) Па) = 20 lg (1 × 10⁺⁵) = 20 × 5 = 100 дБ.

Один децибел – примерно та наименьшая разница в громкости, которую человеческое ухо может почувствовать.

Полезно запомнить следующее. Изменение громкости в 3 дБ равно отношению 2:1. Поэтому если мы берем два одинаковых источника звука, т. е. удваиваем мощность, то громкость увеличиться на 3 дБ. Например, если к голосу присоединяется ещё один, равный по громкости, то уровень звука увеличится на 3 дБ. Если нужно ещё увеличить на 3 дБ, потребуется вдвое увеличить имеющийся состав.

Также можно обратиться к следующей таблице (в ней показано на сколько дБ нужно убавить, чтобы получить звучание в 2 раза тише, в 3 и т. д.):

Для определения суммарного уровня давления нескольких инструментов их никогда не складывают. Вначале необходимо рассчитать значение звукового давления каждого инструмента. Допустим играют две скрипки. Одна с уровнем 80 дБ, другая 86 дБ. У первой звуковое давление равно — 0,2 Па, второй — 0,4 Па.

Рассчитывается так: L = 20 lg p/p₀, значит 80 дБ = 20 lg p / (2 × 10 ⁻⁵), далее lg p / (2 × 10 ⁻⁵) = 4. Следовательно 10⁴ = p / (2 × 10 ⁻⁵), отсюда значение звукового давления будет p = 0,2 Па.

После этого определяется суммарное звуковое давление

В нашем случае суммарное давление равно p = 0, 447 Па. Затем определяется суммарный уровень звукового давления. Который равен 86,98 дБ.

Уровень интенсивности звука

Уровень интенсивности звука также измеряется в децибелах по формуле:

L₁ = 10 lg I/I₀

I₀ – нулевой уровень, равный 10⁻¹² Вт/м².

Мощность, напряжение, ток

Перечисленные электрические характеристики также часто приводятся в децибелах и имеют свои специальные обозначения. Приведём несколько примеров:

L dBm = 10 lg WВт/ 1мВт – уровень мощности отнесённый к 1 мВт

L dBv = 20 lg UB/1B – уровень напряжения, отнесённый к 1 В (Америка)

L dBv = 20 lg UB/0,775 B – уровень напряжения, отнесённый к 0,775 В (Европа)

Спасибо, что читаете New Style Sound ( подписаться на новости )

Источник

АКУСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МИКРОФОНОВ.

По акустическим характеристикам микрофоны делятся на приемники давления, приемники градиента давления различных порядков (преимущественно первого и иногда второго порядка), комбинированные и групповые.

Приемники давления. Характерной особенностью приемника давления является то, что его подвижная механическая система (например, диафрагма) открыта для действия звуковых волн только с одной стороны (рис. 5.2). Звуковые волны, длина которых больше размеров микрофона, огибают его. В этом случае давление у микрофона будет такое же, как и в свободном поле. Вследствие этого сила, действующая на диафрагму микрофона, F = pS, а акустическая чувствительность F/p = S, где S — поверхность подвижной системы микрофона. В этом случае характеристика направленности будет сферической, т. е. микрофон будет ненаправленным. Так, для получения ненаправленного микрофона в диапазоне частот до 10 000 Гц (λ = 3,4 см) размеры микрофона должны быть менее 1,7 см.

Если размеры микрофона велики по сравнению с длиной волны, то давление, действующее на диафрагму при падении волны по его оси, будет удваиваться по отношению к давлению в свободном поле из-за отражения волн от поверхности микрофона. Тогда акустическая чувствительность F/p = 2S. Пределы изменения давления по отношению к свободному полю p÷2p, a акустической чувствительности (5.11)

Если звуковая волна падает на микрофон сбоку или сзади, то в общем случае звуковое давление, действующее на диафрагму, уменьшается из-за ослабления волны при огибании микрофона. Поэтому характеристика направленности будет заостряться тем сильнее, чем больше размеры микрофона по отношению к длине волны (см. рис. 5.2).

Приемник градиента давления. Его подвижная механическая система открыта с обеих сторон для действия звуковых волн, поэтому на диафрагму действует разность давлений волн падающих на фронтальную поверхность диафрагмы с тыльной стороны.

Приемники градиента давления делят на симметричные (рис. 5.3) и асимметричные. Акустическая чувствительность такого приемника определяется по формуле

где р— давление в свободном звуковом поле; р_ф— давление у фронтальной поверхности диафрагмы (оно практически равно давлению в поле, так как размеры микрофона обычно малы по сравнению с минимальной длиной звуковой волны); р_т — давление у тыльной поверхности диафрагмы; S — поверхность диафрагмы.

Разность давлений Р_р = Р_Ф— Р_т получается вследствие разности хода звуковых волн Δr, т. е., во-первых, из-за образующейся разности фаз фронтальной и тыльной волн и, во-вторых, из-за разности амплитуд обеих волн, если приемник находится близко к источнику звука.

Относительная разность амплитуд для сферических волн

На низких частотах длина волны велика по сравнению с разностью хода, поэтому для приемника, удаленного от источника звука, результирующее давление р_р, равное разности давлений фронтальной и тыльной волн, будет очень мало (поскольку оба давления близки друг к другу по фазе и амплитуде).

Рис. 5.4. Акустическая чувствительность приемника градиента давления:

1—для плоской волны (удаленного источника звука); 2 — для ближнего источника звука

Из этой же кривой видно, что на высоких частотах, для которых Δ r/r≤2πΔr/λ, на величину чувствительности будет влиять и разность фаз, поэтому результирующее давление будет определяться суммарным действием обоих факторов и даже с преобладанием последнего (см. рис. 5.4). В результате общее изменение чувствительности от самых низких частот до самых высоких будет меньше, чем для удаленного источника звука.

Если микрофон — приемник градиента давления — путем взаимной коррекции отдельных звеньев отрегулирован так, что его частотная характеристика, снятая для удаленного источника звука, будет близка к оптимальной, то при приближении его к источнику звука микрофон будет подчеркивать низкие частоты («бубнить»). Если же микрофон отрегулирован так, что его частотная характеристика близка к оптимальной при близком расположении его к источнику звука, то при работе с удаленным источником он будет подчеркивать высокие частоты.

Приемник градиента давления даже при удаленном расположении микрофона от исполнителя вносит дискриминацию в прием шума.Если микрофон приближать ко рту исполнителя, то на низких частотах вследствие разности амплитуд фронтальной и тыльной волн дискриминация шума будет повышаться, так как чувствительность микрофона к шумам остается прежней, а чувствительность к сигналу, исходящему от исполнителя, увеличивается

Применяется еще приемник градиента давления второго порядка. Он представляет собой сдвоенный приемник градиента давления первого порядка. На сдвоенную диафрагму такого приемника действует разность от разности давлений, действующей на каждую из диафрагм.

Чувствительность этого приемника определяется квадратичной зависимостью от частоты по отношению к приемнику градиента давления первого порядка. Поэтому приемник градиента второго порядка вносит более значительную дискриминацию в прием шума, чем приемник градиента давления первого порядка. Характеристика направленности его имеет форму квадрата косинусоиды в полярных координатах.

Асимметричный приемник градиента давления. Диафрагма такого приемника находится под воздействием разности давлений, действующих на фронтальную (лицевую) и тыльную (заднюю) стороны диафрагмы. Сдвиг фаз между этими давлениями обусловлен, как и в симметричном приемнике градиента давления, разностью хода звуковых волн, приходящих к фронтальной и тыльной сторонам диафрагмы

Комбинированные приемники. Для получения различных форм характеристик направленности обычно комбинируют приемники давления и градиента давления. Рассмотрим простейшую комбинацию из этих приемников, наиболее часто применяемую в практике, состоящую из одного микрофона-приемника давления и одного микрофона-приемника градиента давления, располагаемых как можно ближе друг к другу (обычно один над другим) и так, чтобы их оси были параллельны.На рис. 5.6б изображены диаграммы направленности: 1—окружность для приемника давления (q=0); 2—кардиоида для комбинированного приемника с одинаковой чувствительностью приемников давления и градиента давления (q=0,5); 3 — суперкардиоида (q = 0,63); 4 — гиперкардиоида (q = 0,75); 5 — косинусоида (восьмерка) для одного» приемника градиента давления (q = 1).

Рис. 5.6. Акустические характеристики комбинированных приемников:

1 — направленности, 2 — перепада чувствительности фронт/тыл, 3 — фронт/тыл, при разных соотношениях между чувствительностью приемников давления и градиента давления;

б) диаграммы направленности:

1 — работает только приемник давления; 2—одинаковая чувствительность приемника давления и градиента давления; 3— отношение чувствительностей Е_д/Е_г.д.о = 0,37/0,63, 4 — отношение Е_д /Е_г.д.о = 0,25/0,75, 5 — работает только приемник градиента давления

Групповые приемники. Одинаковые приемники звука можно объединять в группы. К ним относятся линейны группы и трубчатые приемники.

Линейная группа приемников (микрофонов) это несколько микрофонов, обычно располагаемых в ряд по прямой горизонтальной линии так, чтобы их оси были параллельны (рис. 5.7) (иногда микрофоны располагают по небольшой дуге круга). Электрические выходы этих микрофонов соединяют последовательно в специальном смесителе.

Трубчатые приемники. Из трубчатых приемников получили некоторое распространение два варианта.

Рис. 5.8. Строение трубчатого приемника,:

1— звуководные трубки; 2 — срез трубок; 3 — капсюль микрофона; 4 — предкапсюльный объем

Первый вариант, схематически представленный на рис. 5.8, имеет несколько десятков тонких трубок 1 с длинами от нескольких сантиметров до метра и более. Эти трубки собирают в пучок: длинные по середине, короткие по наружной поверхности пучка. Концы трубок: с одной стороны образуют плоский срез 2, входящий в предкапсюльный объем 4. Микрофонный капсюль 3 берут или электродинамического или электромагнитного типа (приемника давления) в зависимости от требуемого частотного диапазона. Звуковые волны, приходящие к приемнику по осевому направлению, проходят в трубки и поступают в предкапсюльный объем в одинаковой фазе, и их амплитуды складываются арифметически. Звуковые волны, приходящие под углом к оси (см. рис. 5.8), оказываются сдвинутыми по фазе, так как трубки имеют разную длину.

Второй вариант—трубчатый щелевой приемник (его иногда называют приемником бегущей волны) — представляет собой трубку с продольной щелью. С некоторым приближением такую трубку можно рассматривать как множество трубок разной длины. Чтобы не было стоячих волн, наружный конец трубки закрыт поглощающей тканью. Через разные участки щели звуковые волны поступают к капсюлю в разной фазе, как в случае приемника, состоящего из большого числа трубок.

Источник

Электростатический приемник градиента звукового давления

Номер патента: 644049

Текст

Заявка

ПРЕДПРИЯТИЕ ПЯ А-1455

ПЕТРОВСКИЙ ВАЛЕРИЙ ДМИТРИЕВИЧ

МПК / Метки

Код ссылки

Способ градуировки приемников градиента звукового давления

Номер патента: 1434297

Устройство для обмена данными между источником и приемником информации

Номер патента: 1557566

Станок для пробивания отверстий в боковой стенке полых изделий

Номер патента: 35795

Импульсный ультразвуковой дефектоскоп для обнаружения трещин в стенках отверстий изделия

Номер патента: 142796

. собой при помощь микрометрического винта, который используется для регулировки расстояния между приемно-излучающими щупами. Указанное расстояние устанавливается таким, чтобы при любом положении искательного устройства принимался донный ЭХО-сигнал хотя бы одним элементом. В этом случае появление сигнала на выходе дефектоскопа происходит только при отсутствии сигнала, отраженного от дна изделия, в результате наличия дефекта в стенке отверстия контролируемого изделия,Предлагаемый дефектоскоп повышает чувствительность н автоматизацию процесса испытания.М 142796 Дефектоскоп может быть применен для обнаружения скрытых трещин и дефектов, образующихся в стенках отверстий, например, болтовых отверстий. рельсов.На чертеже фиг. 1 показана.

Штамп для пробивки отверстий в боковой стенке детали пространственной формы

Номер патента: 867476

Источник

Градиент звукового давления что такое

Что такое шум?

Шумы создаются звуковыми волнами, возникающими при расширении и сжатии в воздухе и других средах. В системах кондиционирования и вентиляции шумы могут возникать и распространяться в воздухе, корпусах воздуховодов, передвигающихся по трубам жидкостях и т.д.

Шумы могут иметь различную частоту и интенсивность.

Скорость распространения звука

Частота шума

Человеческий слух улавливает колебания частот от 20 Гц до 20000Гц. При работе систем кондиционирования учитывают обычно спектр частот от 60 до 4000Гц.

Для физических расчетов слышимая полоса частот делится на 8 групп волн. В каждой группе определена средняя частота: 62 Гц, 125 Гц, 250 Гц, 500 Гц, 1000 Гц, 2 кГц, 4 кГц и 8 кГц. Любой шум раскладывается по группам частот, и можно найти распределение звуковой энергии по различным частотам.

Мощность звука

Пример: сила шума при поступлении в помещение воздуха под низким давлением равна одной стомиллиардной ватта, а при взлете реактивного самолета сила шума достигает 1000 Вт.

L_w = 10lg(W/W0)

Мощность звука и уровень мощности независимы от расстояния до источника шума. Они связаны лишь с параметрами и режимом работы установки, поэтому важны для проектирования и сравнения различных систем кондиционирования и вентиляции.

Уровень мощности нельзя измерить непосредственно, он определяется косвенно специальным оборудованием.

Уровень давления звука

L_p = P/P0

Уровень звукового давления зависит от внешних факторов: расстояния до установки, отражения звука и т.д. Наиболее простой вид имеет зависимость уровня давления от расстояния. Если известен уровень мощности шума L_w, то уровень звукового давления L_p в дБ на расстоянии r (в метрах) от источника вычисляется так:

Если известен уровень звукового давления L_p1 на расстоянии r1 от источника шума, то уровень звукового давления L_p2 на расстоянии r2 будет вычисляться так:

Вообще, в открытом пространстве уровень звукового давления снижается на 6 дБ при увеличении расстояния до источника шума в 2 раза. В помещении зависимость будет сложнее из-за поглощения звука поверхностью пола, отражения звука и т.д.

Громкость шума

Чувствительность человека к звукам разной частоты неодинакова. Она максимальна к звукам частотой около 4 кГц, стабильна в диапазоне от 200 до 2000 Гц, и снижается при частоте менее 200 Гц (низкочастотные звуки).

Громкость шума зависит от силы звука и его частоты. Громкость звука оценивают, сравнивая ее с громкостью простого звукового сигнала частотой 1000Гц. Уровень силы звука частотой 1000Гц, столь же громкого, как измераемый шум, называется уровнем громкости данного шума. На приведенной ниже диаграмме показана зависимость силы звука от частоты при постоянной громкости.

При малом уровне громкости человек менее чувствителен к звукам очень низких и высоких частот. При большом звуковом давлении ощущение звука перерастает в болевое ощущение. На чатоте 1 кГц болевой порог соответствует давлению 20 Па и силе звука 10 Вт/кв.м.

Диаграмма кривых равной громкости

Шумовые характеристики оборудования

Суммирование источников шума

Если источников шума более двух, метод расчета не меняется, и источники рассматриваются парами, начиная с самых слабых.

Например, есть четыре установки с уровнями шума 25 дБ, 38 дБ, 43 дБ и 50 дБ.

Источник