СПОСОБ СОЗДАНИЯ МИКРОФОНА НА ОСНОВЕ СЕЛЕКТИВНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ УГЛЕКИСЛЫМ ГАЗОМ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА
METHOD OF CREATING A MICROPHONE BASED ON SELECTIVE ABSORPTION OF INFRARED RADIATION BY CARBON DIOXIDE IN ATMOSPHERIC AIR

2
Предложен способ микрофона нового типа на основе селективного поглощении инфракрасного (ИК) излучения углекислым газом (CO) 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.
погл
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 λ=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
,
9
-1
1/2
причем обнаружительная способность приемника не хуже 5⋅10 Вт⋅Гц⋅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.
2
2
3
18
15
Из курса общей физики известно, что углекислый газ СO входит в состав атмосферного воздуха Земли в количестве 0,03%. Так как общее количество молекул в 1 см воздуха при нормальном атмосферном давлении равно 27⋅10 мол, то число молекул СO в этом объеме будет равно 8,1⋅10 мол.
2
2
-2
3
Предположим, что поперечный размер луча ИК излучателя при селективном поглощении CO равен 1×1 мм, тогда объем луча на длине в 1 см будет равен 10 см, и число молекул CO в этом объеме будет равно
2
2
13
Реализация предложенного способа создания микрофона нового типа оказывается возможной только в том случае, если число генерируемых ИК излучателем фотонов , поглощаемых CO, будет много больше расчетного числа молекул CO 8,1⋅10 мол.
погл
Определим необходимую мощность ИК излучателя при числе  в объеме луча на длине волны λ=2,64÷2,87 мкм для того, чтобы выполнить измерение давления.
Энергия кванта света определяется из выражения [9]
погл
λ
где h - постоянная Планка; c - скорость света; λ в мкм, ε в [эВ] из [9].
изл
Мощность Р ИК излучателя можно рассчитать с помощью выражения
-19
где е - заряд электрона 1,6⋅10 кул.
изл
В таблице 1 приведены расчетные значения Р в зависимости от отношения  при исходной величине .
-3
изл
Из таблицы следует, что при значении мощности ИК излучателя ~6⋅10 Вт возможны измерения давления до 160 дБ (нормальному атмосферному давлению соответствует 100 дБ). Также расчетные значения Р могут служить ориентиром при выборе типа излучателя для микрофона.
2
2
-1
-1
Величина коэффициента поглощения  на молекулах CO установлена экспериментально на Фурье-спектрометре [10] и составляет 0,085 см⋅атм. Селективное поглощение на СO подчиняется действию закона Бугера-Беера [11] вида
0
где P и Р - соответственно мощность ИК излучателя и его мощность на расстоянии L от излучателя.
1-x
x
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 (Pb CdSe).
погл
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 λ=2,64÷2,87 мкм.
В Таблице 2 приведены основные технические параметры ИК излучателя.
Из Табл. 2 следует:
-3
- наибольшие мощности излучения излучателя ИЛ151А - е достигаются в импульсном режиме работы (1,2⋅10 Вт);
погл
- ширина спектра излучения на λ составляет 500 нм, при этом ширина спектра поглощения составляет 20÷60 нм.
Таким образом, авторы предлагают:
1. использовать импульсный режим работы излучателя ИЛ151А - е;
погл
2. устанавливать на входе ИК приемника интерференционный фильтр с полосой пропускания 40 нм на λ 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%.
10
-1
1/2
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)⋅10 Вт⋅Гц⋅см. На Фиг. 2 необходимый фотодиод обозначен буквой m среди представленных кривых обнаружительной способности серии фотодиодов компании ООО «АИБИ».
u
u
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 t=100 мкс при скважности 200 мкс, а линия задержки 7 задерживает запуск второго излучателя, например, на 150 мкс, то есть 1,5 t.
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.
Σ
Таким образом, воздействующая па фотоприемник мощность Р может быть записана в виде
ф
скв
скв
где γ=0,7 - коэффициент пропускания фильтра, γ - коэффициент, учитывающий скважность импульсного режима (при двух излучателях γ≅0,7),  - коэффициент, учитывающий превышение пятна излучения размера чувствительной площадки приемника  при наличии на излучателе фокусирующей линзы.
Σ
Σ
-3
При измерении высоких давлений, используя выражения (3) и (4), определим воздействующую на приемник мощность P, приняв  на расстоянии излучатель-приемник . Расчетные данные при Р=1,2⋅10 с учетом перечисленных значений коэффициентов γ отражены в таблице 3.
из-пр
вых.сигн
из-пр
При измерении низких звуковых давлений очевидной является необходимость увеличение расстояния L. В таблице 4 приведены расчетные значения Р при L≅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.
-5
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 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:
-3
- увеличения мощности ИК излучателей в импульсном режиме до (20÷40)⋅10 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.