62181 (Акустоэлектрические преобразователи. Принципы работы. Особенности конструкции и использования), страница 2

Микрофоны:

Для перехвата акустической воздушной волны наиболее широко используются микрофоны.

Микрофон - устройство преобразования акустических колебаний воздушной среды в электрические сигналы.

Микрофоны могут быть классифицированы по различным признакам:

• по принципу преобразования акустических (звуковых волн) в электрические;

• по способу воздействия звуковых волн на диафрагму микрофона,

• по конструкторскому исполнению;

• по признакам характеристики направленности;

• по электрическим параметрам и т.п.

По признаку преобразования акустических колебаний микрофоны подразделяются на:

1а) Электродинамические.

1б) Электромагнитные

1в) Электростатические

1г) Угольные

1д) Пьезоэлектрические

1е) Полупроводниковые

По признаку приема звуковых колебаний микрофоны подразделяются на три группы:

1) приемники звукового давления, действующего на диафрагму;

2) приемники градиента давления, реагирующего на разность звуковых давлений, действующих на обе стороны диафрагмы;

3) приемники комбинированного типа, сочетающие свойства приемников звукового давления и градиента давления;

Схемы приема акустических волн микрофоном-приемником

2а) Звукового давления

2б) микрофон-приемник градиента звукового давления

В микрофонах-приемниках давления, давление звукового поля действует только на одну сторону диафрагмы, другая сторона

конструктивно защищена от этого воздействия. В микрофонах-приемниках градиента давления разность давлений поля воздействует на обе стороны диафрагмы.

Микрофонами-приемниками градиента давления являются ленточные микрофоны(рис.1д). В зазоре между полюсными наконечниками 2, постоянного магнита 4 подвешена лента из алюминиевой фольги I толщиной 3 - 4 мкм. Частота собственных колебаний ленты 15-20 Гц. Такие микрофоны имеют чувствительность 1 - 2 мВ/Па и обеспечивают передачу широкого диапазона частот (Л.68).

Различие по воздействию звуковых колебаний на подвижную систему микрофона определяет и разные виды характеристик направленности микрофона. Зависимость чувствительности микрофона на данной частоте от угла между акустической осью и направлением на источник звука изображается обычно графически в полярных координатах.

По этому признаку микрофоны подразделяются на пять типов: ненаправленные (с круговой диаграммой)

3А)

3б) двусторонне направленная ("восьмерка")

односторонне направленные (кардиоида)

3в)

односторонне остронаправленные (суперкардиоида и гиперкардиоида) - 3г и Зд.

3г)

3д)

Направленность микрофона характеризует отношение чувствительности микрофона к осевой чувствительности.

Микрофон ненаправленного действия обладает постоянной чувствительностью независимо от направления, по которому проходят звуковые волны. Рабочее пространство такого микрофона - сфера. Следует, однако, отметить, что на частотах, где длина волны становится соизмеримой с размерами микрофона начинает сказываться экранирующее действие корпуса микрофона. Поэтому, начиная с частот 1000 - 2000 Гц у микрофона появляется заметная направленность, а на частотах 10-15 кГц она становится весьма значительной.

Двусторонне направленные микрофоны имеют одинаковую чувствительность с фронтальной и тыльной сторон диафрагмы, чувствительность их в поперечном направлении равна нулю. Подобная характеристика сохраняется как для нижних, так и для высоких частот.

Односторонне направленные микрофоны чувствительны к звуковым волнам, приходящим со стороны максимальной направленности микрофона.

Для получения остронаправленной характеристики микрофона используют различные конструкции микрофона - с интерференционным элементом или параболическим рефлектором, плоская фазированная решетка или градиентный микрофон.

Микрофоны также классифицируются по требованиям эксплуатации, стойкости их к климатическим и механическим воздействиям (эксплуатация на открытом воздухе, в закрытых помещениях, под навесом, в помещениях с повышенной влажностью и т.п.).

Одним из основных параметров микрофона являются осевая чувствительность микрофона, расположенного в свободном поле при распространении синусоидальной звуковой волны в направлении акустической оси микрофона.

Ее определяют по формуле:

E0= U/P,

где U - напряжение на входе микрофона;

Р - звуковое давление.

Чувствительность микрофона по диффузному полю определяется зависимостью:

Едиф=U/Pдиф где Рдиф - звуковое давление в точке до размещения в ней микрофона.

При этом под свободным полем мы понимаем такое поле, в котором преобладает прямая звуковая волна, а отраженные звуковые волны отсутствуют или настолько малы, что ими можно пренебречь.

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

Стандартный уровень чувствительности (дБ) определяется по формуле;

NCT = 10 lg (U2hoм/Rhoм*P0),

где: Uhom - напряжение, развиваемое на номинальном сопротивлении нагрузки Rном при звуковом давлении 1Па;

P0 - мощность электрического сигнала микрофона при давлении 1Па.

Уровень собственного шума микрофона (дБ) определяется по формуле:

Nш=20lg(Uш/U1)

где: Uш - эффективное значение напряжения, обусловленного флюктуациями давления в окружающей среде и тепловыми шумами схемы микрофона;

U1 - напряжение при воздействии на микрофон полезного сигнала с эффективным действием 0,1 н/м2.

Характеристика направленности микрофона может быть представлена уравнением улитки Паскаля:

R0 = (l+С*cos0) *(1+C),

где: R0 - отношение чувствительности микрофона Е(θ) (под углом 0 к его оси) к осевой чувствительности Е0;

С - отношение чувствительности приемника к градиенту давления, определяющее форму характеристики направленности.

В зависимости от действующей на диафрагму микрофона результирующей силы звукового давления F величина выходного напряжения микрофона определяется величиной:

а) для угольного микрофона

U = (K*F*U0*R*n) /(w*Zм *(Ri n2+Rи),

где:

m - коэффициент модуляции;

U0 приложенное к микрофону постоянное напряжение;

Rн - сопротивление нагрузки микрофона;

К – отношение коэффициента модуляции к величине смещения диафрагмы микрофона;

F - действующая на диафрагму микрофона результирующая сила звукового давления;

n - коэффициент трансформации;

Ri - внутреннее сопротивление микрофона;

Zм - механическое сопротивление акустической системы микрофона.

б) для электромагнитного микрофона;

U = ω*Ф0*F*Rн/d*Zм* (Rn+Zi),

где:

ω - число витков обмотки;

Ф0 - магнитный ток, исходящий из полюса магнитной системы;

d - зазор между полюсом и якорем;

Zi - внутреннее электрическое сопротивление микрофона.

в) для электродинамического катушечного микрофона:

U = B*L*F*Rи/ Zм*(Ri+ Rn) = B*L*υ*Rн/ (Ri+ Rn)

где:

В - индукция в зазоре магнитной системы;

L - длина проводника обмотки подвижной катушки;

υ - колебательная частота диафрагмы (якоря).

Результирующая сила звукового давления микрофона (т.е. сила, действующая на одну сторону диафрагмы) определяется соотношением:

F = k*p0*S,

где:

р0 - звуковое давление, имевшее место в акустическом поле до внесения в него микрофона;

k - коэффициент дифракции, определяемый как отношение звукового давления р на поверхность диафрагмы к давлению р0;

S - поверхность диафрагмы, на которую воздействует звуковое давление.

Электродинамические преобразователи

При движении проводника длинной l в постоянном магнитном поле индукцией В со скоростью V в нем индуцируется ЭДС сигнала

E = B* [l*V] ;

В равномерном магнитном поле

E = B*l*V;

В равномерном магнитном поле

Учитывая, что колебательная скорость V равна действующей на проводник силе, деленной на механическое сопротивление (Zм) т.е.

V=F/ Zм и что сила определяется произведением давления на площадь

проводника получим η=B*l*S/Zм уравнение чувствительности электродинамической системы.

Таким образом величина ЭДС опасного сигнала на выходе такой системы равна Eис=Pис* B*l*S/Zм

Механическое сопротивление одноконтурной механической системы может быть определено из соотношения: Zм=F/V=(r+j) *(ω*m-1/ω*Cм)

где: F-действующая на проводник сила

V - колебательная скорость

r - активное сопротивление (трение) мех Ом

m - масса провода (кг)

Cm - гибкость (м/ньютон)

Принцип электродинамической системы преобразования проявляется при акустическом воздействии на электродинамические головки громкоговорителей, электровторичных часов, трансформаторов, дросселей.

Изменить параметры, входящие в рассмотренные выше соотношения с целью уменьшения опасности возникновения акустопреобразовательного канала часто не представляется возможным, т.к это может повлиять на рабочие параметры устройства (например, для уменьшения коэффициента преобразования трансформатора его можно залить компаундом, а в головке громкоговорителя нельзя).

Электромагнитные преобразователи:

Принцип преобразования состоит в индуцировании ЭДС сигнала в обмотке при изменении магнитного потока Eис=Pис*η где: η=V*S*μ0*ω*S’/a2*Zм

S’ - площадь полюсного наконечника со стороны зазора,

S - площадь якоря,

V - магнитодвижущая сила постоянного магнита,

ω –число витков,

a - величина зазора

Eис=(Pис* V*S*μ0*ω*S’) /a2*Zм

Примерами преобразователей электромагнитной системы являются электромагнитные капсюли, электрические звонки постоянного и переменного тока, электромагнитные реле.

Следует обратить внимание на то, что и в этом случае не представляется возможным уменьшить коэффициент преобразования у подобных систем при сохранении требуемых рабочих параметров этих элементов.

Электростатические преобразователи

Простейшим преобразователем этой системы является электрический конденсатор, одна пластина которого подвижная, другая закреплена неподвижно.