Ống polimer có các thông số như sau: - Đường kính ngoài � �n 75mm. - Đường kính trong � �t 70mm. - Chiều dài ống L = 155 mm.
- Tín hiệu vào là xung vuông có biên độ 0.5V
- Sợi quang quấn 20 vòng xunh quanh ống cảm biến và ống tham chiếu. Kết quả khảo sát độ nhạy âm của ống polymer được trình bày trong bảng 3.3.
Tần số (Hz) 150 250 330 400 500 600
Biên độ (V) 3 3.7 3.6 3.5 3.6 3.5
Tần số (Hz) 700 1000 3000 4000 6000 8000
Biên độ (V) 3.5 3.7 3.6 3.1 2.5 0.5
Bảng 3.3. Giá trị đáp ứng tần số tín hiệu âm thanh của ống polymer từ 150 Hz đến 8 kHz
Nhận xét về độ nhạy âm của các vật liệu đã thử nghiệm:
Từ các bảng trên chúng ta có thể thấy được ống cảm biến làm bằng vật liệu polymer sẽ có hiệu ứng tốt nhất. Tín hiệu lối ra này có thể được quan sát trên dao động ký tương tự như trong các hình dưới đây áp dụng cho trường hợp bộ cảm biến được đặt cách nguồn âm một khoảng 0.5m cường độ âm 80 dB.
Với ống cảm biến làm bằng vật liệu polymer, khi chúng tôi đưa vào tín hiệu âm với tần số khác nhau thì tín hiệu thu được cũng có cùng tần số nhưng khác nhau về biên độ. Chúng tôi chỉ đưa ra một vài hình ảnh cho tín hiệu lối ra thu được khi sử dụng ống cảm biến polymer. Ta thấy tại tần số 714 Hz, tín hiệu thu được có biên độ cao với cùng tần số máy phát.
Hình 3.25a. Tín hiệu thu được của âm thanh tần số khoảng 714 Hz
Khi đưa vào một tín hiệu xung sin, ta thấy rõ ràng sự tương đồng của hai tín hiệu lối vào và lối ra với một lượng trễ pha nhất định và ta thấy tín hiệu thu được có cùng dạng của tín hiệu lối vào.
Hình 3.25b. Tín hiệu thu được khi lối vào là một xung sin tần số 440 Hz
Ta thấy dạng tín hiệu rất rõ ràng và ổn định, cùng tần số với tín hiệu xung gốc đưa vào
Chúng tôi đã thu được đáp ứng tần số với độ nhạy cao của cảm biến âm quang sợi sử dụng ống polymer trong dải 0.15-8 kHz.
Hình 3.26. Đáp ứng tần số âm thanh của cảm biến quang sợi sử dụng ống polymer Chúng tôi đã tiến hành tính toán tần số cắt của độ nhạy âm của vật liệu từ công thức 2.28.
�� � ��
6���� �3.1�
Trong đó: B=1.08x1010 dynes/cm2, Y=3.92x1010 dynes/cm2, � � 0.45, d=0.075m, c=1500 m/s là các thông số của vật liệu polymer. Kết quả tính toán đưa ra tần số cắt fn= 8.558 kHz phù hợp với kết quả thực nghiệm thu được.
Sử dụng máy phân tích phổ quang (OSA) Advantest Q8384 chúng ta sẽ quan sát thấy được sự thăng giáng cường độ laser lối ra phụ thuộc tín hiệu âm đưa vào. Hình 3.27 trình bày cường độ phổ của chùm sáng laser điều biến do âm thanh trong giao thoa kế Mach-Zehnder sợi quang.
(b)
Hình 3.27. Công suất quang lối ra của giao thoa kế Mach-Zehnder phụ thuộc tác động của sóng âm.
Chúng ta thấy rằng công suất quang lối ra thăng giáng khi có một tín hiệu âm được đặt vào. Điều này phù hợp với quá trình điều chế pha chuyển thành điều chế cường độ sáng lối ra.
Để có thể xác định được ngưỡng nhạy với cường độ âm thu được và xác định sự phụ thuộc của cường độ tín hiệu thu được với cường độ âm, chúng tôi đã sử dụng thiết bị đo cường độ âm của Tổng cục Tiêu chuẩn đo lường chất lượng. Máy đo Testo 815 của Đức đã được Viện Đo lường Việt Nam hiệu chuẩn tháng 6/2011 với các thông số.
- Phù hợp tiêu chuẩn DIN/ IEC60651 to Class 2 - Thang đo: 32-130 dB với 3 thang đo
+ Lo: 30-80dB + Med: 50-100dB + Hi: 80-130dB
- Độ phân giải : 0.1dB
Hình 3.28. Thiết bị đo cường độ âm của Tổng cục tiêu chuẩn đo lường chất lượng Chúng tôi đã khảo sát được sự phụ thuộc của tín hiệu thu được với cường độ âm đưa vào và kết quả khảo sát được trình bày trong bảng 3.4 dưới đây
Cường độ âm (dB) 46 53.3 57 60 62.5 64.3 66.4 67.4 69.2 70.6 Biên độ tín hiệu thu
được (V)
0.5 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.7 1.8 1.9 2.1 Cường độ âm (dB) 72.2 73.6 75.4 75.8 80 81.1 82.2 83.6 86.3 87 Biên độ tín hiệu thu
được (V)
2.2 2.4 2.6 2.7 2.8 3 3.1 3.2 3.3 3.5 Bảng 3.4: Sự phụ thuộc của biên độ tín hiệu thu với cường độ âm tại tần số 700 Hz
Từ số liệu của bảng 3.4 chúng tôi nhận thấy ngưỡng thu của tín hiệu nằm trong khoảng 35-48 dB tại các tần số khác nhau. Độ phân giải nhỏ nhất 0.1V/1dB. Đây là ngưỡng thu âm khá tốt khi so sánh với cường độ nhạy âm của tai người được trình bày trong chương 2:
+ Vườn yên tĩnh : 20 ÷ 30dB + Tiếng nói thầm xì xào (cách 1m) : 35dB
+ Nói to : (60 ÷ 70)dB
+ Phòng hòa nhạc disco : 100dB
Như vậy, độ nhạy của cảm biến này tương đương độ nhạy “Tiếng nói thầm xì xào (cách 1m) 35dB”. Ngưỡng thu này của cảm biến sẽ quyết định phạm vi hay
khoảng cách có thể phát hiện tín hiệu từ nguồn âm. Điều này là quan trọng trong hướng phát triển và ứng dụng phát hiện mục tiêu và cần được tối ưu để có được độ nhạy tốt nhất.
Hình 3.29. Đường thực nghiệm thu được khi khảo sát sự tương ứng giữa cường độ tín hiệu và cường độ âm đặt vào.
Chúng ta thấy rằng đường thực nghiệm thu được gần như tuyến tính với cường độ âm đưa vào. Điều này là thích hợp cho các nghiên cứu ứng dụng liên quan đến xác định vị trí và khoảng cách với nguồn âm.
Chúng tôi đã tiến hành xử lý tín hiệu âm bằng phần mềm phân tích phổ Fourier WaveSurfer 1.8.8p3 để so sánh tín hiệu đưa vào và tín hiệu thu được để khảo sát sự tương ứng về tần số của hai tín hiệu. Phần mềm này là một ứng dụng cho phép phân tích một tín hiệu âm thanh trong các mối quan hệ khác nhau như trong hình 3.30: Cường độ với thời gian giống khung hình trên cùng bên trái, tần số với thời gian giống như khung hình bên dưới hay phân tích từ miền thời gian sang miền tần số nhờ biến đổi Fourier giống như khung hình bên phải. Dưới đây là một ví dụ với tín hiệu thu được dưới nước ở tần số 440 Hz.
Ở thí nghiệm này, một tín hiệu âm tần số 440 Hz được tạo ra trên mặt nước và một tín hiệu thu được sau khi qua hệ cảm biến cùng được đưa vào phần mềm phân tích phổ Fourier. Kết quả xử lý được trình bày trên hình 3.30.
(a)Tín hiệu ban đầu
(b)Tín hiệu thu được qua cảm biến
Hình 3.30. Sự tương ứng về tấn số của tín hiệu phát và tín hiệu thu
Trong hình ta thấy tín hiệu âm tại tần số 440 Hz có các hài tại các tần số 880 Hz, 1320 Hz,… Các hài này ta nhìn thấy rất đều đặn qua phân tích tần số theo thời gian, các vạch phổ sắc nét chứng tỏ tín hiệu sạch và ít nhiễu. Tín hiệu thu được cũng có phổ tương tự với tần số gốc tại 440 Hz và các hài tại tần số tương ứng. Nhưng ta có thể dễ dàng thấy rằng tín hiệu thu được có khá nhiều nhiễu trong cả phân tích tần số theo thời gian hay khai triển Fourier trong miền tần số. Các nhiễu này đến từ nhiều nguồn khác nhau như:
- Nhiễu môi trường - Nhiễu điện trong bộ thu
Từ phân tích phổ tần ta cũng có thể thấy được tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu khoảng 45 dB bằng cách lấy đỉnh phổ tín hiệu trừ đi nền tín hiệu. Dưới đây là một so sánh phổ khác với cảm biến cũng được đặt trong môi trường nước. Tần số của tín hiệu cùng ở 1.6 kHz với một hài tại tần số 3.2 kHz.
Hình 3.31. So sánh phổ thu được của tín hiệu đưa vào ở hình trên với phổ tín hiệu thu được ở hình dưới tại tần số 1.6 kHz
Chúng ta thấy rằng sau khi tái tạo, tín hiệu thu được phân tích phổ cũng có dạng tương tự như tín hiệu lối vào với cùng tần số 1.6 kHz và hài tại tần số 3.2 kHz. Ta cũng có thể thấy được tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu khoảng 50 dB. Qua hai thí nghiệm phân tích phổ này ta cũng thấy được khả năng phát hiện và phân biệt các nguồn âm có phổ tần số khác nhau phục vụ cho hướng phát triển ứng dụng phát hiện các mục tiêu di động dưới nước như tàu thủy hay tàu ngầm. Từ các kết quả thực nghiệm và phân tích trên đây.
� Có thể kết luận rằng cảm biến của chúng tôi thu đúng tín hiệu và có tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu từ 45 - 50 dB.
Hạn chế của việc chế tạo và khảo sát hệ cảm biến đã được chế tạo là
- Kết cấu cơ khí của cảm biến được làm thủ công nên ảnh hưởng đến độ nhạy và nhiễu lên hệ thống. Cụ thể là việc quấn sợi quang và gắn hai coupler bằng tay làm cho vẫn còn sợi quang chưa được quấn lên ống. Khi đặt xuống nước, các rung động của nước làm cho phần sợi quang còn lại này rung động ngẫu nhiên nên gây nhiễu và ảnh hưởng đến độ ổn định của hệ cảm biến.
- Chúng tôi không có được bộ phát âm chuẩn dưới nước nên không thể khảo sát chính xác các đặc trưng của đáp ứng. Chúng tôi chỉ khảo sát được các hiệu ứng thông qua sự tương đồng khi khảo sát việc thu âm thanh dưới nước và trên cạn.
- Bộ thu và xử lý tín hiệu nhiều khi chưa thể lọc hết được các hài sinh ra do tín hiệu âm đưa vào.
- Nguồn phát laser chúng tôi sử dụng không thật sự ổn định trong thời gian dài nên ảnh hưởng đến việc khảo sát liên tục tín hiệu.