Оптрон с фототиристором . Характеристики звукового поля

 

План работы

 

 

 

Вопрос 43. Оптрон с фототиристором ……………………………….....3

Вопрос 2. Характеристики звукового поля …………………………….6

 

Вопрос 43. Оптрон с фототиристором.

Оптроном называется устройство, состоящее из связанных между собой оптически (посредством светового луча) светоизлучателя и фотоприемника и служащее для управления и передачи информации.

Оптрон представляет собой единую конструкцию, состоящую из источника и приемника излучения, связанных между собой оптическим каналом. Структурная схема оптрона приведена на рис. 1. 

Рис. 1. Структурная схема оптрона 

Входной сигнал, например электрический ток Iвх, преобразуется в светоизлучателе СИ в световой поток Ф , энергия которого пропорциональна входному сигналу. По оптическому каналу ОК световой поток направляется в фотоприемник ФП, где преобразуется в пропорциональное световому потоку значение выходного электрического тока Iвых. С помощью устройства управления оптическим каналом УОК можно управлять световым потоком путем изменения физических свойств самого оптического канала.

Таким образом, в оптронах осуществляется двойное преобразование энергии: электрической в световую и световой снова в электрическую. Это придает оптронам ряд совершенно новых свойств и позволяет на их основе создавать электронные устройства с исключительно своеобразными параметрами и характеристиками. Так, применение оптронов позволяет осуществить почти идеальную электрическую развязку между элементами устройства (сопротивление до 1016 Ом, проходная емкость до 10-4 пФ). Кроме того, могут быть эффективно использованы такие свойства оптронов, как однонаправленность информации, отсутствие обратной связи с выхода на вход, высокая помехозащищенность, широкая полоса пропускание (от нуля до сотен и даже тысяч мегагерц), совместимость с другими (полупроводниковыми) приборами. Это дает возможность использовать оптроны для модулирования сигналов, измерений в высоковольтных цепях, согласования низкочастотных цепей с высокочастотными и низкоомных с высокоомными.

К недостаткам оптронов следует отнести зависимость их параметров от температуры, низкие КПД и коэффициент передачи.

  

Рис. 2. Устройство оптрона: 1 – выводы; 2 – фотоприемник; 3 – корпус; 4 – оптическая среда; 5 – светодиод

Фототиристорный оптрон (рис. 3) включает в себя фототиристор в качестве фотоприемника. Быстродействие фототиристорного оптрона определяется временем выключения фототиристора, в течение которого прибор переходит из открытого состояния в закрытое, оно составляет десятки микросекунд.

Рис. 3. Фототиристорный оптрон

В зависимости от типа фотоприемника оптроны могут применяться в электронных устройствах для переключения, преобразования, согласования, модуляции и т.д. Они могут использоваться также в качестве малогабаритных импульсных трансформаторов, реле для коммутации напряжений и токов, в автогенераторах, цепях обратной связи и т.д.

Оптроны с открытым оптическим каналом служат в качестве различных датчиков (перемещения, «края объекта» и др.). В устройствах передачи информации часто применяют оптоэлектронные интегральные микросхемы, в которых в одном корпусе объединены оптроны и интегральная микросхема. Фотоприемник такой микросхемы может быть изготовлен в том же кристалле кремния, что и транзисторная микросхема, как одно целое.

Оптоэлектронные устройства с управляемым световодом можно использовать в качестве логических ячеек преобразователей частоты, в устройствах переключения индикаторов, индикаторах вида жидкости, устройствах измерения малых перемещений, сенсорных устройствах очувствления роботов и т.д. Эти устройства обладают высоким быстродействием, помехозащищенностью, возможностью применения в агрессивных и взрывоопасных средах.

В последнее время при изготовлении оптоэлектронных устройств оказывается возможным удалять источник и приемник излучения из зоны измерения (от объекта контроля) на десятки метров с помощью элементов волоконной оптики – волоконных световодов (жгутов из нитей стекловолокна).

Оптоэлектронные устройства широко применяют в вычислительной технике, автоматике, контрольно-измерительных устройствах. В дальнейшем применение этих устройств будет расширяться по мере улучшения их характеристик: надежности, долговечности и температурной стабильности.

 

 

 

 

 

 

 

Вопрос 2. Характеристики звукового поля

Акустическое или звуковое поле не может возникнуть из ничего. Акустическое поле может возникнуть с помощью некоего тела которое совершает колебания. Такие колебания являются источником (излучателем) звуковой энергии. Именно акустическое поле - это область какой-либо упругой поверхности которая выполняет роль передачи акустических волн, и характеризуется только по двум параметрам. А именно: звуковым давлением и акустическим сопротивлением. Звуковое давление измеряется в единицах Паскалях, а акустическое сопротивление - Паскаль сантиметр площади.  

Звуковое давление - это показатель который измеряется в разнице давления в среде распространения волн и обычным атмосферным давлением. В свою очередь акустическое сопротивление - это отношение звукового давления к скорости колебания микроскопических частиц среды. Акустическое поле имеет также характеристики которых есть две позиции, а именно интенсивность и мощность звука. С интенсивностью и мощностью звука, здесь все понятно. Зато есть одна характеристика, которая играет важную роль при формировании акустического поля - это направленность звука излучения. Есть угловое пространственное распространение давления создаваемого вокруг источника звукового давления. 

Вышеперечисленные величины, они все тесно взаимосвязаны и сильно зависят от среды, в которой динамично распространяется звуковая волна. Если звуковое поле имеет возможность распространяться практически до бесконечности и не является ограниченное всевозможными предметами и поверхностями, то такое акустическое поле называется свободным акустическим полем. Если акустическое поле распространяется в закрытом помещении (например в клубе, квартире или автомобиле), то звучание акустической волны сильно зависит от предметов, которые находятся на ее пути. Явление реверберации и диффузии, именно это влияет на формирование акустического поля в помещении. Если в помещении полная тишина, а потом начинает действовать источник звука, то чистую картину звуковых волн можно наблюдать только в начальный момент времени. Дальше картина радикально меняется за счет отраженных от различных предметов звуковых волн. Звуковая волна обладает способностью огибать мелкие препятствия, однако когда предмет, размер которого сравнима с длиной звуковой волны, встречается на пути акустического поля (звуковой волны), то он способен отразить ее полностью. 

Характеристики звукового поля. Когда в нем возникает очень большое количество, отраженных от различных предметов, звуковых волн, и плотность звукового поля с разных сторон почти одинакова, то такое звуковое поле называется диффузным. После того как выключили источник акустического излучения, то интенсивность звуковых волн падает до нуля за неограниченное количество времени, а если быть точным, то до нулевого уровня никогда не упадет. Принято считать, что звук полностью пропал, когда интенсивность его уменьшается в 10 в 6 степени раз от уровня в момент выключения. Звуковое поле проявляется в виде кинетической энергии, которая волнообразно распространяется не только в газообразной среде (в воздухе), а и в твердых и жидких средах. Частоты звуковых волн находятся в диапазонах от 20 до 20000 Гц. Звуковое поле которое распространяется с частотой до 20Гц называется инфразвуком, а с частотой более 20000Гц - ультразвуком. Колебания таких частот не воспринимаются слуховым органом человека. Однако человек способен его почувствовать, поэтому в дорогих акустических системах диапазон волн колеблется не только в пределах звуковых волн, а имеет в наличии инфразвук и ультразвук.

Звуковое поле проявляется в виде кинетической энергии колеблющихся материальных тел, звуковых волн в средах, обладающих упругой структурой (твердые тела, жидкости и газы). Процесс распространения колебаний в упругой среде называют волной. Направление распространения звуковой волны называют звуковым лучом, а поверхность, соединяющую все смежные точки поля с одинаковой фазой колебания частиц среды – фронтом волны. В твердых телах колебания могут распространяться как в продольном, так и в поперечном направлении. В воздухе распространяются только продольные волны.

Свободным звуковым полем называют такое поле, в котором преобладает прямая звуковая волна, а отраженные волны отсутствуют или пренебрежимо малы.

Диффузное звуковое поле - это такое поле, в каждой точке которого плотность звуковой энергии одинакова и по всем направлениям которого распространяются одинаковые потоки энергии вединицу времени.

Звуковые волны характеризуются следующими основными параметрами.

Длина волны - равна отношению скорости звука (340 м/с - в воздухе) к частоте звуковых колебаний. Таким образом, длина волны в воздухе может изменяться от 1,7 см (для f = 20000 Гц) до 21 м (для f = 16 Гц).

Звуковое давление  - определяется как разность между мгновенным давлением звукового поля в данной точке и статистическим (атмосферным) давлением. Звуковое давление измеряется в Паскалях (Па), Па = Н/м2. Физические аналоги – электрическое напряжение, ток.

Интенсивность звука   – среднее количество звуковой энергии проходящей в единицу времени через единицу поверхности, перпендикулярной к направлению распространения волны. Интенсивность измеряется в единицах Вт/м2 и представляет собой активную составляющую мощности звуковых колебаний. Физический аналог – электрическая мощность.

В акустике результаты измерений принято отображать в виде относительных логарифмических единиц. Для оценки слухового ощущения используются единица под названием Бел (Б). Поскольку Бел представляет собой довольно крупную единицу, была введена более мелкая величина – децибел (дБ) равная 0,1 Б.

Звуковое давление, интенсивность звука выражают в относительных акустических уровнях:

  ,

 

Нулевым значениям акустических уровней   соответствуют общепринятые   и   Вт/м2 при гармоническом звуковом колебании частотой 1000 Гц. Приведенные значения соответствуют примерно минимальным значениям, вызывающим слуховые ощущения (абсолютному порогу слышимости).