емкости размещается эмиттер, излучающий ультразвуковые волны в пространстве над поверхностью жидкости. Ультразвуковые колебания оказываются в резонансе с колебаниями полости над поверхностью жидкости или в резонансе с гармониками собственных колебаний этой полости. При разном уровне жидкости резонансная частота оказывается различной, поэтому путем измерения частоты новых колебаний определяется уровень жидкости.

ГЛАВА 7

АКУСТИЧЕСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ Акустика

Основной измеряемой величиной в акустике является звук, хотя существуют и другие производные от него измеряемые величины. Прежде всего это уровень звукового давления. Кроме них здесь рассматриваются также распространение звука в воде и ультразвуковые колебания.

Звук

В воздухе звук представляет собой простое скопление волн давления, перемещающихся со скоростью приблизительно 322 м-с- (над уровнем моря). Эти волны действуют в любой точке пространства как колебания давления воздуха. Строго говоря, подобные колебания необходимо сопоставлять с диапазоном частот, воспринимаемых человеческим ухом (приблизительно от 30 Гц до 15 кГц), поэтому описанное явление получило назва-ние звука.

Воздух - это упругая среда. Звук может распространяться в любой другой упругой среде, но в этих случаях он будет представлять собой не колебания давления, а колебания отдельных частиц, напряжения или плотности. Они имеют различную скорость прохождения в различных средах.

Отсюда следует, что измерения звука в воздухе следует осуществлять с использованием преобразователей давления с частотными характеристиками, подобными характеристике человеческого уха. Такие приборы называются обычно микрофонами.

7* . 99

. Уровень звукового давления

Обычно уровень звукового давления в децибелах (дБ)

5PL = 20 log.o-,, Pref(rms)

где р (rms) - эффективное давление звука; pref (rms) - опорное давление звука, которое должно устанавливаться до проведения измерений.

Уровень (громкость) звука

Измерение уровня звукового давления включает в себя непосредственно определение давления на всех частотах звука, поэтому указанные уровни давления точно известны на этих частотах. Они представляют собой объективно существующие количественные величины. Однако громкость звука есть взвешенная величина: сигнал с выхода микрофона проходит через взвешивающую схему, которая выделяет составляющие сигнала определенных частот и подавляет составляющие других частот.

Цель этой операции заключается в том, чтобы приблизить измерения громкости звука в наибольшей степени к его субъективному восприятию человеческим ухом. Сами по себе измерения звукового давления не учитывают и не могут учитывать чувствительности человеческого уха. Характеристики взвешивающей схемы определяются национальными стандартами и обозначаются эталонными буквами (например А, В, С), чтобы их можно было использовать совместно с частотной характеристикой.

Измерители громкости звука и звукового давления выполняются в виде единого переносного блока, содержащего в себе взвешивающую схему, предусилитель и дисплей.

Микрофоны

Звуковое давление изменяется в чрезвычайно широком диапазоне низких частот. Широка также и частотная характеристика звуковых колебаний. Поэтому чувствительные элементы преобразователей должны быть жесткими и иметь малую массу, а также небольшое откло-

нение. Обычно в микрофонах применяются чувствительные элементы в виде плоских диафрагм измерителей давления (см. гл. 6).

Наиболее распространенными типами микрофонов, используемых при звуковых измерениях, являются кристаллические (работающие на пьезоэлектрическом эффекте) и конденсаторные (работающие на емкостном эффекте).

Пьезоэлектрические микрофоны

Диафрагма микрофона механически связана с не- большой керамической пластинкой или кристаллом кварца (рис. 7.1) и воздействует на них так, что появляющийся вследствие пьезоэлектрического эффекта выходной сигнал пропорционален звуку, падающему на диафрагму.

Довольно часто микрофоны оснащаются интегральными предусилителями, которые. используются в качестве

[lepfopupodaHHoe Диафрагма покрытие

Диафрагма.

Экран

Слюдяной изолятор

Бороздчатая задняя плата:

Рис. 7.1. Пьезоэлектрический микрофон

Рис. 7.2. Внутреннее устройство типового конденсаторного микрофона

преобразователей сопротивления для того, чтобы получить более низкое выходное сопротивление (порядка 100-1000 Ом), чем дает кристалл (мегаомы). Это поз-воляет инженеру обеспечить допустимый уровень помех в системах с длинными линиями передачи информации. Мощность для питания предусилителя может поступать от самой измерительной системы или от интегральной ячейки, расположенной в корпусе микрофона.

Конденсаторные микрофоны

Базовая конструкция конденсаторного микрофона изображена на рис. 7.2. Здесь диафрагма, электрически соединенная с корпусом микрофона, выполняет роль