Способ создания микрофона на основе селективного поглощения инфракрасного излучения углекислым газом атмосферного воздуха

Изобретение относится к акустике, в частности к микрофонам. Способ создания микрофона на основе селективного поглощения инфракрасного (ИК) излучения углекислым газом. При этом используют излучатель ИК-излучения в диапазоне длин волн λпогл=2,64÷2,87 мкм при мощности излучателя, который обеспечивает отношение числа генерируемых квантов света λпогл к числу молекул углекислого газа в пределах объема излучающего луча на трассе излучатель-приемник в виде неравенства причем обнаружительная способность ИК-приемника не хуже . На входе ИК-приемника устанавливают интерференционный фильтр с полосой пропускания спектра 40 нм и с коэффициентом пропускания излучения не менее 0,7. Нулем отсчета измерения принимают сигнал, регистрируемый при нормальном атмосферном давлении и при условиях, что давления выше атмосферного измеряют на расстоянии излучатель-приемник не более 1 см, а давления ниже атмосферного измеряют на расстоянии не менее 10 см, а ИК-излучатель снабжают фокусирующей линзой. Технический результат - повышение КПД, расширение диапазона измеряемых давлений. 3 ил., 4 табл.

 

Предложен способ микрофона нового типа на основе селективного поглощении инфракрасного (ИК) излучения углекислым газом (CO2) воздуха, который может найти применение в измерительной технике при фиксировании высоких и низких уровней звукового давления.

В настоящее время в мире используются разнообразные модели микрофонов, которые являются первичными преобразователями акустических звуковых давлений в электрический сигнал [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]. Все известные модели состоят из последовательного соединения подсистем (звеньев), представляющих собой:

- акустическую антенну, в которой звуковое давление воздействует на акустический вход микрофона, формирующий механическую силу на подвижном механическом элементе микрофона - мембране, диффузоре;

- акустико-механическое звено, в котором в соответствии с колебательной скоростью частиц воздуха осуществляются смещение мембраны в конденсаторных микрофонах или колебания диффузоров в динамических микрофонах;

- электромеханическое звено, представляющее собой электромеханический преобразователь механических колебаний в электродвижущую силу, при этом эффективность преобразования характеризуется электромеханическим коэффициентом связи (используются электромагнитный закон Ленца, пьезоэффект, изменения напряжения на емкости при изменении электрического заряда);

- электрическое звено (схемы), которое обеспечивает формирование выходного электрического сигнала микрофона, эквивалентного входному акустическому сигналу, в форме, удобной для последующего его использования при передаче по каналам связи, для запоминания, усиления и воспроизведения.

В качестве аналога (прототипа) может быть использован любой известный микрофон, состоящий из перечисленных выше элементов.

К недостаткам аналога можно отнести:

- низкий коэффициент полезного действия (не более 5%);

- максимальные значения уровней давлений для известных микрофонов [3, 6, 7] не более 130-140 дБ;

- микрофоны для регистрации высоких уровней давлений [3, 6, 7] до 180 дБ имеют частотный диапазон 10-120 Гц.

В предлагаемых микрофонах, по мнению авторов, будут устранены перечисленные недостатки аналогов, что и является новым техническим решением.

В способе создания микрофона на основе селективного поглощения ИК излучения молекулами углекислого газа воздуха в соответствии с предложением используют излучатель ИК излучения в диапазоне длин волн λпогл=2,64÷2,87 мкм при мощности ИК излучателя, которая обеспечивает отношение числа генерируемых квантов к числу молекул углекислого газа в пределах объема излучающего луча на трассе ИК излучатель-ИК приемник в виде равенства

,

причем обнаружительная способность приемника не хуже 5⋅109 Вт-1⋅Гц1/2⋅см. На входе ИК приемника устанавливают интерференционный фильтр с полосой пропускания спектра 40 нм относительно среднего значения диапазона длин волн поглощения и с коэффициентом пропускания излучения не менее 0,7, при этом нулем отсчета при измерении выходного сигнала ИК приемника принимают сигнал, который регистрируют при нормальном атмосферном давлении и при условии, что давления выше атмосферного выполняют на расстоянии излучатель-приемник не более 1 см, а давления ниже атмосферного выполняют при расстоянии излучатель-приемник не менее 10 см, а излучатель при этом снабжают дополнительной фокусирующей линзой для фокусировки излучения на приемнике.

Далее пояснения текста будут иллюстрированы следующими чертежами.

Фиг. 1 - спектральное распределение интенсивности ИК излучателей в зависимости от концентрации CdSe в исходном твердом растворе;

Фиг. 2 - спектральная обнаружительная способность фотоприемников ИК диапазона типа РД-36;

Фиг. 3 - функциональная схема микрофона с двумя импульсными ИК излучателями типа ИЛ151А - е, фотоприемником типа РД 36-m и временная диаграмма работы микрофона в импульсном режиме.

Из курса общей физики известно, что углекислый газ СO2 входит в состав атмосферного воздуха Земли в количестве 0,03%. Так как общее количество молекул в 1 см3 воздуха при нормальном атмосферном давлении равно 27⋅1018 мол, то число молекул СO2 в этом объеме будет равно 8,1⋅1015 мол.

Предположим, что поперечный размер луча ИК излучателя при селективном поглощении CO2 равен 1×1 мм, тогда объем луча на длине в 1 см будет равен 10-2 см3, и число молекул CO2 в этом объеме будет равно

Реализация предложенного способа создания микрофона нового типа оказывается возможной только в том случае, если число генерируемых ИК излучателем фотонов , поглощаемых CO2, будет много больше расчетного числа молекул CO2 8,1⋅1013 мол.

Определим необходимую мощность ИК излучателя при числе в объеме луча на длине волны λпогл=2,64÷2,87 мкм для того, чтобы выполнить измерение давления.

Энергия кванта света определяется из выражения [9]

где h - постоянная Планка; c - скорость света; λпогл в мкм, ελ в [эВ] из [9].

Мощность Ризл ИК излучателя можно рассчитать с помощью выражения

где е - заряд электрона 1,6⋅10-19 кул.

В таблице 1 приведены расчетные значения Ризл в зависимости от отношения при исходной величине .

Из таблицы следует, что при значении мощности ИК излучателя ~6⋅10-3 Вт возможны измерения давления до 160 дБ (нормальному атмосферному давлению соответствует 100 дБ). Также расчетные значения Ризл могут служить ориентиром при выборе типа излучателя для микрофона.

Величина коэффициента поглощения на молекулах CO2 установлена экспериментально на Фурье-спектрометре [10] и составляет 0,085 см-1⋅атм-1. Селективное поглощение на СO2 подчиняется действию закона Бугера-Беера [11] вида

где P и Р0 - соответственно мощность ИК излучателя и его мощность на расстоянии L от излучателя.

В качестве ИК излучателя авторы предлагают продукцию предприятия г. Санкт-Петербурга ОАО «Гириконд» - малогабаритные быстродействующие полупроводниковые ИК излучатели серии ИЛ151А на основе фрактально структурированных нанокомпозиционных пленок селенида свинца в твердых растворах на его основе (Pb1-x CdxSe).

На Фиг. 1 представлены спектральные распределения интенсивности излучателей в зависимости от концентраций CdSe, которые и определяют длины волн излучателей. Из Фиг. 1 следует, что для предлагаемого микрофона можно рекомендовать излучатель типа ИЛ151А-е с концентрацией CdSe, обеспечивающей λпогл=2,64÷2,87 мкм.

В Таблице 2 приведены основные технические параметры ИК излучателя.

Из Табл. 2 следует:

- наибольшие мощности излучения излучателя ИЛ151А - е достигаются в импульсном режиме работы (1,2⋅10-3 Вт);

- ширина спектра излучения на λпогл составляет 500 нм, при этом ширина спектра поглощения составляет 20÷60 нм.

Таким образом, авторы предлагают:

1. использовать импульсный режим работы излучателя ИЛ151А - е;

2. устанавливать на входе ИК приемника интерференционный фильтр с полосой пропускания 40 нм на λпогл и коэффициентом пропускания не менее 0,7 (такие фильтры также изготавливает ОАО «Гириконд»).

Угол излучения излучателей ИЛ151А составляет 30°-40°, поэтому при малом расстоянии излучатель-приемник (не более 1 см), например 7 мм, при диаметре приемной площадки 2 мм, раскрытие луча излучения составит диаметр ~4 мм. Это значит, что без фокусировки луча измерения при расстоянии излучатель-приемник ~7 мм мощность воздействующего излучения будет уменьшена на 60%.

В качестве приемника ИК излучения авторы предлагают использовать фотоприемники компании ООО «АИБИ» (IBSG Co.Ltd), которая работает в сотрудничестве с лабораторией ИК оптоэлектроники ФТИ им. А.Ф. Иоффе г. Санкт-Петербурга. В настоящее время для спектрального диапазона 1,5-3,8 мкм найдут большее применение в предлагаемом способе фотодиоды серии РД 36-30-ТЭС [12]. Обнаружительная способность таких приемников (фотодиодов) составляет (1÷5)⋅1010 Вт-1⋅Гц1/2⋅см. На Фиг. 2 необходимый фотодиод обозначен буквой m среди представленных кривых обнаружительной способности серии фотодиодов компании ООО «АИБИ».

На Фиг. 3 представлена функциональная схема предлагаемого микрофона и временная диаграмма его работы в импульсном режиме. В представленной схеме использовано два ИК излучателя 1, оси излучения которых направлены на центр приемника излучения РД 36 - m2. На входе приемника помещен фильтр 3. Выходной сигнал приемника (фотодиода) 2 усиливают усилителем 4. Затем усиленный сигнал подают на индикаторно-измерительную систему 5. Импульсную работу обоих излучателей 1 обеспечивает генератор 6, при этом запуск второго излучателя осуществляют через линию задержки 7. Генератор 6 обеспечивает импульсное включение излучателей 1 и 2 длительностью tu=100 мкс при скважности 200 мкс, а линия задержки 7 задерживает запуск второго излучателя, например, на 150 мкс, то есть 1,5 tu.

Использование двух излучателей увеличивает воздействующую мощность за счет изменения скважности, которая при длительности включения излучения 100 мкс формирует время между ними (скважность), равное 50 мкс.

Таким образом, воздействующая па фотоприемник мощность РΣ может быть записана в виде

где γф=0,7 - коэффициент пропускания фильтра, γскв - коэффициент, учитывающий скважность импульсного режима (при двух излучателях γскв≅0,7), - коэффициент, учитывающий превышение пятна излучения размера чувствительной площадки приемника при наличии на излучателе фокусирующей линзы.

При измерении высоких давлений, используя выражения (3) и (4), определим воздействующую на приемник мощность PΣ, приняв на расстоянии излучатель-приемник . Расчетные данные при РΣ=1,2⋅10-3 с учетом перечисленных значений коэффициентов γ отражены в таблице 3.

При измерении низких звуковых давлений очевидной является необходимость увеличение расстояния Lиз-пр. В таблице 4 приведены расчетные значения Рвых.сигн при Lиз-пр≅15 см и при условии снабжения излучателей фокусирующими линзами с размещением их фокуса на входной поверхности приемника.

Представленные в таблицах 3 и 4 расчетные значения выходной мощности фотоприемника показывают надежное обнаружение и измерение возникающих в атмосфере давлений.

Отсчет измерений предлагается производить от условного квазинуля значения сигнала, соответствующего нормальному атмосферному давлению, то есть при ΔP=1,0. Если приписать атмосферному давлению, равному 1,0 Па, значение уровня, отсчитанного от порога слышимости человека (10-5 Па и равное 100 дБ), то при измерении предлагаемым микрофоном в полосе частот звука (см. табл. 3) высоких давлений обеспечивается измерение до ~150 дБ, а при измерении низких давлений - от квазинуля до 50 дБ.

Авторы уверены, что диапазон измерения звуковых давлений может быть расширен для больших уровней значений до 180 дБ, а для малых уровней значений - до 10 дБ за счет:

- увеличения мощности ИК излучателей в импульсном режиме до (20÷40)⋅10-3 Вт;

- применения усилителей выходного сигнала, коэффициент усиления которых изменяется по обратному логарифмическому закону (см. выражение (3).

Следует отметить, что в предлагаемом микрофоне отсутствуют какие-либо механические элементы типа мембран и диффузоров, наличие которых приводит к уменьшению КПД в аналогах вследствие наличия отражения звукового давления от чувствительной входной поверхности и подобных отражений уже в капсюле микрофонов. Поэтому авторы считают, что предлагаемый микрофон будет иметь КПД, обусловленный только КПД ИК приемников и ИК излучателей.

Таким образом, по мнению авторов, предложен способ создания микрофона нового типа, который может быть востребован в задачах измерения давлений в широком диапазоне с последующим спектральным анализом в широком частотном диапазоне.

Также предложенные микрофоны могут обеспечить измерение давлений одной из составляющих водных сред, например морской среды, за счет селективного поглощения ИК излучения искомой составляющей. В данном случае микрофон с соответствующим подбором длин волн излучений искомой составляющей помещается в водозащитные корпусы с окнами излучателей и приемников.

Возможно использование предложенных микрофонов для измерения давлений как на инфракрасных, так и на сверхвысоких частотах.

Использованная литература

1. Сапожков М.А. «Электроакустика». - М.: Связь, 1978 г.

2. Вахитов Я.Ш. «Теоретические основы электроакустики и электроаккустическая аппаратура». - М.: Искусство, 1982 г.

3. Вахитов Ш.Я. «Современные микрофоны. Теория, проектирование». - СПб: изд. СПб ГУК и Т, 2003 г.

4. Вахитов Я.Ш., Вахитов Ш.Я. «Электромеханические преобразователи и динамические микрофоны» - СПб: изд. СПб ГУК и Т, 2004 г.

5. «Акустика». Справочник под редакцией Сапожкова М.А. - М.: Радио и связь, 1989 г.

6. ГОСТ 16123-88 «Микрофоны. Методы измерений» - М.: 1989 г.

7. Корпорация «Audio – technical» (always listening), Япония, Каталог продукции 2013-2014 г.

8. USB Bass Meter - прибор замера звукового давления, 2005 г. Measuring and Android.

9. П. Линч, А. Николадес. «Задачи по физической электронике». - М.: Мир, 1975 г.

10. Александров С.Е., Гаврилов Г.А., Капралов А.А. и др. «Моделирование сенсоров на основе диодных оптопар среднего ИК-диапазона спектра» - М.: «Техническая физика», том 79, выпуск 06, 2009 г.

11. Криксунов Л.З. «Справочник по основам ИК техники» - М.: Советское радио, 1978 г.

Способ создания микрофона на основе селективного поглощения инфракрасного (ИК) излучения углекислым газом атмосферного воздуха, отличающийся тем, что используют излучатель ИК излучения в диапазоне длин волн λпогл=2,64÷2,87 мкм при мощности излучателя, которая обеспечивает отношение числа генерируемых квантов света λпогл к числу молекул углекислого газа в пределах объема излучающего луча на трассе излучатель-приемник в виде неравенства

причем обнаружительная способность ИК приемника не хуже , а на входе ИК приемника устанавливают интерференционный фильтр с полосой пропускания спектра 40 нм относительно среднего значения диапазона длин волн поглощения и с коэффициентом пропускания излучения не менее 0,7, при этом нулем отсчета измерения выходного сигнала ИК приемника принимают сигнал, регистрируемый при нормальном атмосферном давлении и при условиях, что давления выше атмосферного измеряют на расстоянии излучатель-приемник не более 1 см, а давления ниже атмосферного измеряют на расстоянии не менее 10 см, а ИК излучатель снабжают дополнительной фокусирующей линзой с фокусом на входной площадке приемника.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к акустическим средствам воспроизведения звука. Электродинамическая головка воспроизведения звука содержит источник звуковых электрических сигналов, генератор звуковых колебаний, взаимодействующий с упругой средой, последовательно соединенные модулятор, согласующее устройство и высоковольтный трансформатор.

Изобретение относится к акустике и предназначено для возбуждения акустических колебаний в газах и жидкостях. Сущность: излучатель содержит теплопроводящую подложку, на рабочей поверхности которой сформированы параллельно расположенные протяженные структуры в виде выступов призматической формы, имеющие легированные поверхностные слои со значительно большей электрической проводимостью, чем подложка.

Микрофон // 2524558
Изобретение относится к области акустики и касается ручного сценического микрофона. Микрофон содержит полый корпус, защитную решетку, звукосниматель, диафрагму, звуковую катушку, магнитный элемент, включатель звукоснимателя, выходной разъем.

Изобретение относится к электроакустике, устройствам воспроизведения звуковых сигналов высоковольтной электрической дугой. Технический результат - повышение точности воспроизведения звуковых сигналов.

Изобретение относится к технике преобразования и усиления сигналов и может быть использовано в технических системах приема и обработки информации. .

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в устройствах громкоговорящей и телефонной связи на подвижных объектах для преобразования акустических сигналов в электрические.

Изобретение относится к технике преобразования и усиления звуковых сигналов и может быть использовано в технических системах приема и обработки акустической информации.

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению и микротехнологии и может быть использовано в конструкции микроминиатюрных приемников акустических сигналов специального назначения.

Изобретение относится к аналитической химии органических соединений. Способ определения концентрации паров нафталина в газовой смеси ароматических соединений заключается в том, что материал, содержащий флуорофор дибензоилметанат дифторида бора (DBMBF2) или его метил-, или метокси-, или диметил-, или диметокси- или метилметоксипроизводное, молекулы которого окружены цепями полидиметилсилоксана или алкильными группами, помещают в газовую смесь.

Изобретение относится к биологии, экологии, сельскому хозяйству, в частности к исследованиям биоматериалов и учету животных при изучении миграционной активности. Способ детекции системной родаминовой метки в мелких млекопитающих включает использование кормовых приманок с препаратом родамин B в количестве от 0,05 до 0,10 мас.% и выявление флуоресцирующей метки родамина B путем облучения мелких млекопитающих лучом портативного зеленого лазера с длиной волны 532±20 нм.

Изобретение относится к области спектроскопии и касается способа обнаружения элемента в образце. Способ осуществляется с помощью системы спектроскопии возбуждения лазерным пробоем (LIBS), включающей в себя первый лазер, второй лазер, спектрометр и детектор.

Изобретение относится к ядерной технологии, в частности к аналитическому обеспечению процесса переработки облученного ядерного топлива, и раскрывает способ совместного спектрофотометрического определения нептуния, америция и плутония.

Изобретение относится к области микробиологии, а именно к способам окраски и дифференцировки микроорганизмов. Предложен способ окраски и дифференцировки микроорганизмов, при котором в качестве основного красителя используют 4-дневную настойку плодов черноплодной рябины на 90% этиловом спирте с добавлением 2-2.5 г медного купороса на 40 мл раствора, для докрашивания применяют 1% раствор эозина, при этом бактериологические мазки, фиксированные над пламенем спиртовки, окрашивают новым красителем на основе экстракта плодов черноплодной рябины в течение 4,5-5 мин, смывают 2 раза 96% спиртом, наносят 96% спирт на 20 с, промывают водой и окрашивают 1% эозином в течение 1 мин, затем промывают водой и высушивают фильтровальной бумагой.

Изобретение относится к области медицины, а именно к эндокринологии и онкологии, и может быть использовано для дифференциальной диагностики новообразований в щитовидной железе.

Изобретение относится к измерительной технике и касается дистанционного способа обнаружения участков растительности в стрессовом состоянии путем лазерного возбуждения флуоресценции хлорофилла растения и регистрации интенсивности флуоресценции.

Изобретение относится к способу определения типа пробы пластового флюида. Техническим результатом является повышение точности определения характеристик пластовых флюидов.

Изобретение относится к обнаружению текучей среды в теле человека, в частности к обнаружению гидравлической текучей среды и жидкого топлива внутри тела человека. Способ обнаружения проникновения текучей среды в пациента включает этапы обеспечения емкости для хранения текучей среды, обеспечения текучей среды для использования в машинном оборудовании и ее добавления в указанную емкость; и обеспечения флуоресцентного красителя и его добавления в текучую среду с обеспечением флуоресценции текучей среды в присутствии голубого или ультрафиолетового света.

Группа изобретений относится к области детектирования молекулы-мишени в образце. Устройство для детектирования молекулы-мишени в образце содержит контейнер для образцов для количественного определения молекулы-мишени в образце; по меньшей мере одну первую частицу, функционализированную первой связывающей молекулой, способной к специфическому связыванию с молекулой-мишенью; поверхностную структуру, содержащую вторую связывающую молекулу, где поверхностная структура покрывает плоскую поверхность или присутствует на по меньшей мере одной второй частице.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к оптическим методам. Способ контроля шероховатости поверхности детали включает зондирование исследуемой поверхности потоком со струйной структурой, содержащим смесь химически взаимодействующих газов, визуализацию информативного параметра через контролируемую область поверхности по регистрируемому в оптическом диапазоне длин волн изображению яркостного контраста проекции зоны химического взаимодействия смеси газов. Используют цифровые методы обработки регистрируемого яркостного контраста, при этом о величине шероховатости поверхности судят по степени искажения изображения яркостного контраста по сравнению с эталонным. Технический результат - повышение информативности, достоверности и производительность контроля. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к акустике, в частности к микрофонам. Способ создания микрофона на основе селективного поглощения инфракрасного излучения углекислым газом. При этом используют излучатель ИК-излучения в диапазоне длин волн λпогл2,64÷2,87 мкм при мощности излучателя, который обеспечивает отношение числа генерируемых квантов света λпогл к числу молекул углекислого газа в пределах объема излучающего луча на трассе излучатель-приемник в виде неравенства причем обнаружительная способность ИК-приемника не хуже. На входе ИК-приемника устанавливают интерференционный фильтр с полосой пропускания спектра 40 нм и с коэффициентом пропускания излучения не менее 0,7. Нулем отсчета измерения принимают сигнал, регистрируемый при нормальном атмосферном давлении и при условиях, что давления выше атмосферного измеряют на расстоянии излучатель-приемник не более 1 см, а давления ниже атмосферного измеряют на расстоянии не менее 10 см, а ИК-излучатель снабжают фокусирующей линзой. Технический результат - повышение КПД, расширение диапазона измеряемых давлений. 3 ил., 4 табл.

Наверх