Miniaturized Acoustic Sensors for Monitoring Transportation Noise: Modelling, Measurement and Applications

Abstract

Bezdrátové senzorické sítě si v posledních letech získávají celosvětovou pozornost zejména v oblasti monitoringu okolního hluku. Vzhledem k velkému počtu uzlů v senzorických sítích je kladen požadavek nejen na nízkonákladovost mikrofonů, ale stejně tak i na kvalitu. Důležitou součást analýzy tudíž společně tvoří teoretické modely miniaturních nízkonákladových elektroakustických měničů a experimentální ověření jejich výkonu v hlukových senzorech. Tato práce se zabývá analytickými a semianalytickými metodami, které popisují chování čtvercové upnuté pohyblivé elektrody (ve formě destičky) miniaturního kondenzátorového mikroofonu. Ve vzájemné vazbě se nachází čtvercová destička a akustické tlakové pole uvnitř tenké vrstvy termoviskózní tekutiny, které se současně nachází mezi touto destičkou, tak i pevnou elektrodou elektrostatického měniče. Analyticky vypočtená tlaková citlivost mikrofonu je porovnána s numericky (FEM) vypočtenou hodnotou. Následně je představen klasický jednoduchý model se soustředěnými prvky elektretového mikrofonu, který je použit v předchozí verzi senzorické sítě vyvinuté Laboratoří speciálních projektů Ústavu bezpečnostních technologií a inženýrství FD ČVUT v Praze. V práci je rovněž prezentováno několik experimentálních výsledků naměřených na přechozí i stávající verzi senzoru včetně normalizované přenosové funkce alektroakustické části řetězce a dynamického rozsahu stávající verze senzoru spolu se závislostí nového prototypu senzoru na teplotě.

Wireless sensor networks have become popular in the domain of environmental noise monitoring in recent years. However, low-cost and high quality microphones are needed when there are numerous sensor nodes. Theoretical models of miniaturized low-cost electroacoustic transducers and experimental verification of their performance in noise sensors is therefore, of interest. This thesis deals with analytical and semi-analytical approaches describing the behaviour of the square clamped plate. The plate is used as a moving electrode o a miniaturized condenser microphone coupled with an acoustic pressure field inside a thin layer of thermo-viscous fluid trapped between the square plate and the backing electrode of the electrostatic transducer. The analytically calculated pressure sensitivity of the receiver is compared to the numerically (FEM) calculated value. The classical simple lumped-element model of an electret microphone, which si used in a previous version of the sensor network developed by the Laboratory of Special Projects UBTI FD CTU in Prague, is also described. Several experimental results measured on both prototype versions of the sensor, previous and recent, are presented including, the normalized transfer function of the electroacoustic path and the dynamic range of the present sensor, along with the temperature dependence of the new sensor.