Приемники звука – устройства, предназначенные для обнаружения звуковых волн, измерения их характеристик (звукового давления, колебательного смещения, колебательной скорости, интенсивности и т. д.) и для преобразования акустического сигнала в электрический с целью усиления, анализа, передачи на расстояние, записи. Наибольшее распространение получили приемники звука – электроакустические преобразователи, которые позволяют воспроизводить временную структуру акустического сигнала при малых волновых размерах приемников звука с их помощью можно получить и пространственную структуру звукового поля. Приемники звука для воздушной среды называются микрофонами, для водной – гидрофонами, для приёма звуковых волн в земной коре – леофонами; приём упругих волн на поверхности твёрдых тел осуществляется виброметрами. Микрофоны и гидрофоны в большинстве случаев служат приёмниками звукового давления, однако существуют и приёмники градиента давления, приёмники колебательной скорости и комбинированные приёмники для воздушной и водной среды. Это функциональные особенности микрофонов и гидрофонов обеспечиваются как конструкцией приёмного элемента, так и электронной схемой первичной обработки выходного сигнала приёмника-преобразователя. Виброметры являются приёмниками колебательного смещения частиц, колебательной скорости частиц или ускорения (в последних двух случаях их называют соответственно велосиметры и акселерометры), причём электронная схема, осуществляющая интегрирование или дифференцирование выходного сигнала; позволяет использовать один и тот же приёмный элемент для выполнения всех трёх функций.

Основной характеристикой приемников звука – преобразователей является чувствительность представляющая отношение выходного электрического сигнала к входному акустическому;

для приёмников звукового давления чувствительность – отношение амплитуды электрического напряжения в режиме холостого хода к амплитуде звукового давления. Зависимость чувствительности от частоты, амплитуды сигнала и направления его прихода определяет соответственно частотную характеристику, динамический диапазон и направленность приемника звука.

По виду частотных характеристик приемники звука подразделяют на широкополосные и резонансные. Первые позволяют принимать сложные по спектральному составу сигналы; они работают с постоянной чувствительностью в широкой области частот, лежащей ниже первой собственной частоты механической системы приемноков звука, и используются, например, при приёме речи и музыки, при исследованиях в гидроакустике и геоакустике, изучении шумов акустических различного происхождения и т. п. Вторые служат для приема тональных сигналов с заданной частотой или узкополосных сигналов. Они обладают повышенной за счёт 1 резонанса чувствительностью и применяются в режимах активной акустической локации в гидроакустике, дефектоскопии, медицинской диагностике, в различных контрольно-измерительных ультра–звуковых устройствах. В акусто–электронике используют как резонансные, так и широкополосные приёмники.

Динамический диапазон приемников звука определяется областью амплитуд сигнала, в котором чувствительность сохраняется неизменной; снизу он ограничен собств. шумами приемного элемента, входных электрических цепей и внешними шумами, сверху – нелинейностью свойств приёмника. Направленность приемников звука определяется их волновыми размерами и конструктивными особенностями, она оказывает существенное влияние на направленность акустических антенн. Для получения острой НЧ - направленности приёма могут служить приёмники параметрического типа, основанные на использовании нелинейных свойств среды, в которой распространяется звук.

В качестве микрофонов в звуковом диапазоне частот служат преобразователи электродинамического, электростатического типа, реже – пьезоэлектрические преобразователи. Чувствительность их составляет от единиц до сотен мВ/Па, динамический диапазон – от десятков до сотен дБ. Электростатические, пьезоэлектрические и пьезополимерные измерительные приемники звука применяются в воздушной среде на УЗ–частотах. В качестве гидрофонов служат в основном преобразователи из пьезоэлектрических материалов, В гидроакустической технике эта главным образом приемники звука из пьезокерамики с чувствительностью от единиц мкВ/Па до мВ/Па и динамическим диапазоном порядка 100 дБ. При измерениях в жидкостях на УЗ–частотах, а также при физических измерениях в твёрдых телах, в дефентоскопии и других областях УЗ-техники, в медицинской диагностике, в акусто–электронике и т. п. наряду с пьезокерамическими преобразователями для приёма звука используются преобразователи на пьезокристаллах, плёночные пьезоэлектрические и магнитострикционные преобразователи, пьезополимерные и пьезополупроводниковые преобразователи. Выбор материала, конструкции и размеров приемников звука в этих случаях в значительной степени определяется областью рабочих частот, которая может достигать гигагерцевого диапазона. Служат в качестве гидрофонов и оптоволоконные приёмники звука, основанные на акустооптическом преобразовании в волоконных световодах, по покоторым распространяются монохроматические световые волны. Наряду с приёниками–преобразователями, воспроизводящими временную структуру акустического сигнала, для газообразной и жидкой сред существуют приемники звука, измеряющие усреднённые во времени характеристики звуковой волны. К ним относятся приёмники механического типа – Рэлея диск, радиометр акустический, а также термический приемник звука. Последние применяются, как правило, в жидкостях для измерения интенсивности ультразвука ВЧ – диапазона. Они основаны на преобразовании энергии акустической волны в тепловую. Возникающее при этом нагревание среды измеряется посредством термоэлементов – термопар или термистеров, причём эдс термопар оказывается пропорциональной интенсивности звука. Для увеличения чувствительности термических приемников звука термоэлементы покрываются слоем вещества с больший коэффициентом поглощения звука. Нижняя граница динамического диапазона по интенсивности составляет у этих приёмников на частотах порядка единиц МГц величину порядка сотен Вт/м².

Виброметры, применяемые для измерений колебания поверхности твёрдых тел, подразделяются на контактные и бесконтактные. Первые, к которым можно отнести и геофоны имеют непосредственный механический контакт с измеряемой поверхностью; чувствительным элементом в них является электро–механический преобразователь, как правило пьезоэлектрического. типа; на низких звуковых и на инфразвуковых частотах применяют преобразователи электромагнитного или электродинамического типа. В исследовательской практике обычно используют бесконтактные измерители амплитуды колебаний ёмкостного или индуктивного типа. Для наиболее точных абсолютных измерений амплитуды колебательных смещений служат оптические интерференционные методы, нижний предел по амплитуде для которых составляет 10^-5 –10^-6 мкм. Амплитуды порядка нескольких мкм или десятков мкм измеряют с точностью не более 10% при помощи микроскопа по размытию хорошо освещенной точки на боковой поверхности колеблющегося тела. В качестве приемника звука можно рассматривать и органы слуха животных и человека, производящие преобразование акустических сигналов в нервные импульсы, передаваемые в центральную нервную систему.

 

Микрофоны и гидрофоны в большинстве случаев служат приемниками звукового давления. Это, как правило, преобразователи электродинамического, электростатического типа, а также пьезоэлектрические преобразователи. Работа пьезоэлектрических преобразователей основана на пьезоэлектрическом эффекте - возникновении поляризации диэлектрика под действием механических напряжений. При измерениях в жидкостях и твердых телах на ультразвуковых частотах используются также магнитострикционные преобразователи, в основе котрых лежит эффект изменения формы тела при воздействии на него магнитного поля. В качестве гидрофонов также служат оптоволоконные приемники звука, основанные на акустооптическом преобразовании в волоконных световодах, по которым распространяются монохроматические световые волны.

Виброметры являются приемниками колебательного смещения частиц, их скорости (велосиметры) или ускорения (акселерометры). Виброметры подразделяются на контактные и бесконтактные. Контактные виброметры имеют непосредственный механический контакт с измеряемой поверхностью. Чувствительным элементом в них является электромеханический преобразователь, обычно пьезоэлектрического типа. В исследовательской практике часто используют бесконтактные измерители емкостного или индуктивного типа.
В качестве приемников звука можно рассматривать и органы слуха животных и человека, производящие преобразование акустических сигналов в нервные импульсы, передаваемы в центральную нервную систему.

Эхолот – это прибор, определяющий направление, откуда к нему приходят звуковые импульсы. Звук распространяется в пресной воде со скоростью около 1500 м/с. Основная задача электронной начинки эхолота – измерить время от момента излучения зондирующего звукового импульса до его возвращения к приемнику эхолота после отражения от подводного объекта.
Сигналы, приходящие в разное время от различных объектов, отображаются на цветном жидкокристаллическом экране эхолота (тип экрана может быть и другим). Чем больше глубина объекта под водой, тем дольше время движения эхо – сигнала.

Электронный блок, работающий внутри эхолота, создает короткие электрические импульсы, которые поступают к излучателю, подобно музыкальному громкоговорителю, электрические импульсы превращающему в звуковые пучки высокой частоты. "Послав" пучок ультразвуковых волн в воду, эхолот переключается на прием и использует излучатель как микрофон для улавливания ультразвуковых волн, отражающихся от дна и от других объектов, имеющихся между излучателем и дном.

Излучатель, принимающий ультразвуковые колебания, преобразует их, подобно микрофону, в электрические сигналы. После того, как эти электрические импульсы, сами по себе значительно ослабленные по сравнению с исходными, излучаемыми сигналами, поступают на усилитель, делающий электрические импульсы сильнее до величины, при которой может сработать неоновая лампочка, светодиод или включится ячейка панели жидкокристаллического экрана. Светящиеся точки на экране сливаются в изображения, соответствующие положению объектов под водой и расстоянию до них.

После завершения приема и обработки эхо–сигнала, излучатель переключается в режим посылки следующего зондирующего ультразвукового импульса. Длительность интервала времени между повторными излучениями различная у различных эхолотов, однако у большинства приборов время это достаточно для приема эхо–сигналов с достаточно больших расстояний или, что то же самое, с больших глубин. Некоторые эхолоты могут работать с различными диапазонами глубин, изменяя интервал между повторными излучениями соответственно изменению интервала глубин.

В воде звук распространяется с большой скоростью, а потому не требуется много времени для посылки и приема зондирующего импульса, сразу, после чего можно излучать уже новый импульс. Короткие импульсы звуковых волн имеют очень небольшую длительность – несколько миллисекунд. Интервал времени между посылкой импульсов должен быть не просто достаточным для отправки и приема зондирующего звукового импульса: за это время должен смочь сработать экран эхолота или перо самописца, если речь идет о курсографе. Типичная частота посылки импульсов для эхолота – 24 импульса в секунду, хотя из–за инерционности жидкокристаллических экранов, эхолоты, оборудованные ими, излучают лишь два импульса в секунду.

Гидрофон (от гидро... и греч. phone – звук) - гидроакустический звукоприёмник, гидрофоны являются электроакустическими преобразователями и применяются в гидроакустике для прослушивания подводных сигналов и шумов, для измерительных целей, а также как составные элементы направленных приёмных гидроакустических антенн. Наиболее распространены гидрофоны, основанные на электродинамическом, пьезоэлектрическом и магнитострикционном эффектах.

Электродинамические гидрофоны по принципу действия не отличаются от воздушных электродинамических микрофонов, если не считать особенностей конструкции, связанных с изоляцией от воды.

В пьезоэлектрическом гидрофоне используется прямой пьезоэффект кристаллов (сегнетова соль, кварц, дегидрофосфат аммония, сульфат лития и т.д.), при котором переменная деформация кристалла вызывает появление переменных поверхностных электрических зарядов и соответственно переменной электродвижущей силы на электродах – обкладках. Широко пользуются пьезоэлектрическими керамическими материалами (типа керамики титаната бария, титаната-цирконата свинца и др.). Чувствительные элементы пьезоэлектрических гидрофонов изготавливают в виде пакетов прямоугольной или цилиндрической формы.

Магнитострикционные гидрофоны основаны на обратном магнитострикционном эффекте некоторых ферромагнитных металлов (в основном никеля и его сплавов), при котором деформация вызывает появление переменной магнитной индукции в магнитопроводе и как следствие – переменной эдс на обмотке. Чувствительные элементы гидрофонов (сердечники) набираются, как правило, из тонких пластин для избежания потерь на токи Фуко.

Гидрофоны, предназначенные для измерительных целей, должны быть ненаправленными и обладать ровной частотной характеристикой во всей области исследуемых частот. Для этой цели удобно пользоваться малыми по сравнению с длиной волны полыми сферическими приёмниками из пьезокерамики, совершающими сферические симметричные колебания.
Одна из важнейших характеристик гидрофонов – чувствительность, представляющая собой отношение электрического напряжения к звуковому давлению в мкв/бар; она лежит в пределах от долей мкв/бар для малых (диаметром в несколько мм) керамических сферических приёмников до сотен мкв/бар для пакетов из пьезоэлектрических кристаллов. Для увеличения чувствительности (а также для устранения шунтирующего действия кабеля) пользуются гидрофонами с предварительными усилителями, которые монтируются в одном корпусе с приёмником и вместе опускаются в воду.