Акустоэлектрические преобразователи. Принципы работы. Особенности конструкции и использования

      • 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