Электроакустические преобразователи

Это приборы, преобразующие звуковые колебания в электрические и обратно. В телефонии такими преобразователями соответственно являются микрофон (BM) и телефон (BF).

Классификация.

1. По принципу преобразования энергии:

• электромагнитные;

• электродинамические;

• пьезоэлектрические;

• электростатические;

• электроконтактные.

2. По обратимости действия:

• обратимые;

• необратимые.

Обратимые выполняют функции ВМ и ВF. Необратимые преобразуют только один вид энергии в другой.

1. По использованию источника энергии:

• пассивные;

• активные.

Пассивные преобразователи непосредственно преобразуют один вид энергии в другой. К ним относятся электромагнитные, электродинамические и пьезоэлектрические преобразователи. Активные преобразователи работают по принципу управления в процессе преобразования энергии одного вида расходом энергии другого вида. К ним относятся электростатические и электроконтактные преобразователи.

Чувствительность преобразователя.

Чувствительностью микрофона S_м называется отношение электродвижущей силы Е_м , развиваемой микрофоном, к звуковому давлению Р_м , действующему на его мембрану:

, В/Па.

Чувствительностью телефона S_т называется отношение звукового давления Р_т, развеваемого телефоном, к напряжению U_т на его зажимах:

, Па/В.

Частотная характеристика преобразователя. Зависимость чувствительности преобразователя от частоты, называется его частотной характеристикой.

S_макс – максимальная чувствительность;

S_ср – средняя чувствительность;

S_мин – минимальная чувствительность.

Идеальная частотная характеристика имеет вид прямой 1, параллельной оси ординат. Реальные частотные характеристики преобразователей отличаются от идеальной и имеют неравномерный характер вида 2. Для оценки этой неравномерности служит коэффициент:

.

Средняя чувствительность. Для оценки качества преобразования в диапазоне передаваемых частот пользуются параметром средней чувствительности (линия 3):

,

где n – число частот, на которых определялась чувствительность.

Приведенная чувствительность. Этот параметр служит для сравнения преобразователей с разными внутренними сопротивлениями.

Под приведенной чувствительностью телефона S_{Т пр} понимают чувствительность, которую имел бы рассматриваемый телефон, если бы модуль его входного сопротивления был бы равен не |Z_Т|, а принятому определенному значению R_пр=600 Ом при той же потребляемой мощности:

.

Приведенной чувствительностью микрофона S_{М пр} с внутренним сопротивлением переменному току R_~ называется значение чувствительности такого микрофона с внутренним сопротивлением 1 Ом, который отдает такую же мощность, как и рассматриваемый микрофон:

.

Коэффициент нелинейных искажений. Этот параметр определяет долю нелинейных искажений, вносимых в систему передачи речи, вследствие нелинейного характера зависимости энергии, получаемой на выходе преобразователя, от энергии, поступающей на его вход.

Коэффициент нелинейных искажений:

для телефона

,

где Р_i – действующие значения составляющих звукового давления, развиваемых телефоном при подключении к нему синусоидального напряжения.

для микрофона:

,

где Е_i – действующие значения ЭДС гармоник микрофона, как генератора переменного тока.

Направленность действия преобразователя. Этот параметр показывает изменение чувствительности преобразователя в % в зависимости от угла α между перпендикуляром к диафрагме и рассматриваемой точкой звукового поля.

Характеристика направленности изображается графически и бывает трех основных видов: круг а) – направленности действия нет; кардиоида б) – направленность односторонняя; «восьмерка» в) – направленность двусторонняя.

Основные типы преобразователей

Электромагнитный преобразователь а) содержит постоянный магнит с полюсными надставками, электромагнит и мембрану М из ферромагнитного материала. Преобразователь обратимый с параметрами в качестве телефона: S_{Т ср} ≈ 15 Па/В, ΔS_Т ≈ 15 дБ, К_н ≈ 8%; и микрофона: S_{М ср} ≈ 0,1 В/Па. Применяется преимущественно с функциями телефона.

Электродинамический преобразователь б) имеет постоянный магнит и легкую подвижную катушку К, соединенную с мембраной М. При колебании мембраны в обмотке катушки возникает ЭДС. Преобразователь обратимый с параметрами в качестве телефона: S_{Т ср} ≈ 0,6 Па/В, ΔS_Т ≈ 8 дБ, К_н ≈ 3%; и микрофона: S_{М ср} ≈ 0,004 В/Па, ΔS_М ≈ 8 дБ. Широко используется с функциями микрофона, громкоговорителя и телефона.

Электростатический или конденсаторный преобразователь в) содержит воздушный конденсатор из неподвижной пластины и тонкой легкой подвижной пластины – мембраны М. Под воздействием звуковых колебаний на мембрану изменяется расстояние между обкладками конденсатора, что изменяет его емкость и заряд. Преобразователь обратимый и активный. Преимущественное применение нашел в виде микрофона с параметрами S_{М ср} ≈ 0,003 В/Па, ΔS_М ≈ 6 дБ.

Разновидностью конденсаторного микрофона является электретный микрофон, в котором подвижная пластина (электрет) из полимера предварительно поляризуется и имеет потенциал, изменяющийся при ее колебании.

Пьезоэлектрический преобразователь г) основан на использовании пьезоэлектрического эффекта кристаллов кварца, турмалина, сегнетовой соли и др. При колебании мембраны М деформируется биморфный кристаллический элемент, вследствие чего возникают электрические заряды на его гранях. Преобразователь обратимый с параметрами в качестве телефона: S_{Т ср} ≈ 20 Па/В, ΔS_Т ≈ 10 дБ; и микрофона: S_{М ср} ≈ 0,025 В/Па, ΔS_М ≈ 7 дБ. Пьезоэлементы находят применение для изготовления микрофонов, телефонов и громкоговорителей специальной аппаратуры.

Электроконтактный преобразователь д) действует по принципу изменения сопротивления электрического контакта К в процессе преобразования звуковой энергии. Наиболее распространенным преобразователем этого типа является угольный микрофон, в котором при колебании мембраны М изменяется плотность угольного порошка и его электрическое сопротивление, что вызывает появление переменного тока в цепи нагрузки R_н . Преобразователь необратимый и активный с параметрами: S_{М ср} ≈ 0,7 В/Па, ΔS_М ≈ 35 дБ, К_н ≈ 20%.

Функцию контакта может выполнять эммитер транзистора, жестко связанный с мембранной. При воздействии звуковых колебаний на мембрану создается переменное давление на эмиттер и изменяется сопротивление эммитерного перехода, что приводит к появлению переменного тока в его цепи.

Угольный микрофон

Схема электрической цени угольного микрофона содержит источник постоянного тока с напряжением U и сопротивление нагрузки R_н.

При отсутствии звука микрофон имеет статическое сопротивление R_ст. При воздействии на мембрану микрофона синусоидально изменяющегося звукового давления его сопротивление R_м будет изменяться согласно выражению

R_м = R_д - r_m sin ωt,

где R_д – динамическое сопротивление микрофона при звуковом возбуждении; r_m- - амплитуда переменной составляющей сопротивления микрофона.

В среднем R_д ≈ 1,2 R_ст, что объясняется разрушением контактных «мостиков» между зернами угольного порошка в динамическом состоянии.

В схеме электрической цепи микрофон можно рассматривать как генератор переменного тока, что позволяет определить его электродвижущую силу e_м из выражения:

е_м = I₀∙r_m∙sin ωt,

где I₀ - ток питания микрофона, равный U/( R_н + R_д).

Сопротивление r_m в свою очередь зависит от звукового давления и зернистости угольного порошка.

Значение e_м возрастает при увеличении I₀ до определенного оптимального значения I_{0 опт} и затем уменьшается вследствие нагрева угольного порошка и его спекания.

ЭДС микрофона изменяется прямо пропорционально звуковому давлению в пределах от порога чувствительности Р₁ до порога перегрузки Р₂, обусловленного упругостью угольного порошка.

Согласно существующим нормам амплитудная характеристика угольного микрофона должна быть линейной при возбуждении его звуковым давлением 0,1 – 3 Па в полосе частот 300 – 3400 Гц.

Сопротивление микрофона – важнейшая его характеристика, которая зависит от свойств порошка, значения тока питания и занимаемого микрофоном положения в пространстве.

Различают низкоомные НО (20 – 80 Ом) и высокоомные ВО (100 – 260 Ом) микрофоны. Значение R_М определяется размером ячейки, куда засыпается порошок, и диаметром зерен угольного порошка: чем крупнее зерна, тем меньше R_М. Зерна порошка имеют диаметр 0,2 и 0,35 мм.

Зависимость R_М от I₀ в статическом и динамическом режимах имеет «падающий» характер, так как угольный порошок обладает отрицательным температурным коэффициентом.

При больших токах питания может произойти спекание зерен, что нарушает работоспособность микрофона.

Значения I₀ микрофонов НО равно 20 – 80 мА; ВО – 12 – 25 мА. Низкоомные микрофоны применяются в ТА МБ, а высокоомные – в ТА ЦБ.

Сопротивление микрофона изменяется в зависимости от угла наклона α^о.

В горизонтальном положении микрофон имеет наибольшее сопротивление вследствие нарушения контактов между порошком и электродами, в вертикальном положении – наименьшее сопротивление.

Угольный микрофон благодаря потреблению энергии от источника питания усиливает мощность звуковых колебаний примерно в 1000 раз.

Угольные микрофоны изготавливаются в виде микрофонных капсюлей типа МК-10 и МК-16, которые устанавливаются в микротелефонах и широко применяются в телефонной связи так как имеют сравнительно небольшую стоимость, простое устройство и усилительную способность.

К недостаткам угольных микрофонов относятся нестабильность характеристик во времени, собственные шумы, значительные нелинейные и частотные искажения, вносимые в тракт передачи, зависимость параметров от положения в пространстве, спекание и гигроскопичность зерен угольного порошка.

(микрофонный капсюль МК-16)

Электромагнитный телефон с простой магнитной системой

Двухполюсные телефоны с простой магниной системой имеют последовательную магнитную цепь, образуемую постоянным магниом 1, полюсными надставками 2 и мембраной 3 из мягкого магнитного материала. Переменный ток, проходящий через обмотки 4 электоромагнита, создает переменный магнитный поток, который изменяет силу притяжения мембраны и вызывает ее колебания.

Сила притяжения мембраны прямо пропорциональна квадрату магнитной индукции, создаваемой магнитным потоком.

Сила, действующая на мембрану, при отсутствии переменного тока в обмотке телефона

F₀ = kB₀²,

где k – коэффициент пропорциональности.

Сила, действующая на мембрану, при прохождении через обмотку телефона переменного тока

F_~ = k(B₀ + B_~)²,

где

B_~ = B_M sin ωt.

Движущая сила, колеблющая мембрану телефона

ΔF = F₀ – F_~.

Если В₀>>В_М, то

ΔF ≈ 2kВ₀В_М sin ωt.

Мембрана колеблется около положения равновесия с частотой переменного тока в обмотке телефона.

Постоянный магнит в телефоне обеспечивает неискаженные колебания мембраны при приеме речевых сигналов и повышает чувствительность телефона.

Характеристики телефонов. В эксплуатации находятся телефоны, которые в диапазоне частот 300 – 3400 Гц имеют следующие параметры.

	ТК – 47	ТК – 67	ТА - 4
Sср, Па/В	17	15	6
ΔS, дБ	35	20	14

Сопротивление телефона Z_Т определяется в обычных условиях при работе на акустическую нагрузку.

Капсюльные телефоны разделяют на низкоомные (НО) и высокоомные (ВО) со следующими значениями сопротивлений R_Т и І Z_ТІ.

	НО	ВО
Сопротивление постоянному току, Ом	130	2200
Сопротивление переменному току на частоте 1000 Гц, Ом	260	10000

НО телефоны используются в ТА общего пользования, а ВО – в ТА специального назначения с большим входным сопротивлением.

Согласно действующим нормам коэффициент нелинейных искажений телефона К_НТ ≤ 5% на частоте 1000 Гц при подводимой к нему электрической мощности 10^-3 Вт.

(телефонный капсюль ТК-67)

Электродинамические преобразователи

Принцип действия этих преобразователей основан на взаимодействии магнитных полей постоянного магнита и подвижной катушки с обмоткой (или подвижной ленты), жестко связанной с колебательной системой преобразователя. Находят широкое применение в устройствах громкоговорящей связи.

Электродинамические микрофоны. Различают катушечные и ленточные микрофоны. Характеризуются тем, что в магнитном поле помещена катушка, скрепленная с мембраной, или металлическая лента, которая непосредственно воспринимает звуковые колебания.

По конструкции звуковой части, влияющей на характеристику направленности, электродинамические микрофоны подразделяются на микрофоны давления и микрофоны градиента давления.

В микрофонах давления доступу звуковых волн открыта только одна сторона подвижной системы, а характеристика направленности близка к окружности.

В микрофонах градиента давления подвижная система доступна воздействию звуковых колебаний с обеих сторон, поэтому эти микрофоны имеют двустороннюю характеристики направленности в форме восьмерки.

Совместное использование в конструкции микрофонов свойств приемников давления и градиента давления позволило создать комбинированные микрофоны с односторонней частотной частотной характеристикой направленности в виде кардиоиды.

Магнитная система катушечного микрофона состоит из постоянного магнита 2, магнитопровода с центральным стержнем 1 и фланцами 4. В зазоре между фланцами расположена подвижная катушка 3, жестко связанная с куполообразной диафрагмой 5.

Для обеспечения постоянной чувствительности катушечного микрофона в широкой полосе частот в нем применяют систему воздушных полостей и щелей.

Ленточный микрофон состоит из гафрированной ленты 1, свободно подвешанной между полюсами постоянного магнита 2. Специальный наконечник 5 образует одну воздушную полость 6, а дуга магнита 2 ограничивает другую полость 5. Воздух в щелях 4 и 7 играет роль элементов массы, которые корректируют скорость колебаний ленты.

Однонаправленный катушечный микрофон имеет ΔS~10 дБ в диапазоне частот 70 – 15000 Гц. Применяется в студиях и служебных помещениях при громкоговорящей передаче.

Ленточный микрофон градиента давления обеспечивает ΔS~5 дБ в диапазоне частот 50 – 10000 Гц. Используется для высококачественной передачи звуковых сигналов.

Электродинамические громкоговорители в отличие от телефонов излучают звук в открытое пространство, что определяет конструкцию их излучающих систем. В зависимости от способа излучения звуковых колебаний электродинамические громкоговорители подразделяются на диффузорные и рупорные.

Магнитная система диффузорного громкоговорителя содержит постоянный кольцевой магнит 1, магнитопровод, образуемый фланцами 4 и 7, и сердечник 6. Подвижная система состоит из диффузора 3 и прикрепленной к нему подвижной катушки 5. Ток звуковой частоты вводится в катушку посредством гибкого держателя 2.

К электроакустическим параметрам громкоговорителей относятся номинальная мощность (в зависимости от назначения устанавливается от 0,025 до 100 Вт); электрическое сопротивление (на частоте 1000 Гц для низкоомных громкоговорителей составляет 2 -100 Ом, а высокоомных – до 2000 Ом); полоса воспроизводимых частот (находится в пределах 100 – 10000 Гц); коэффициент неравномерности частотной характеристики (достигает 15 дБ); коэффициент нелинейных искажений (при номинальной подводимой мощности не превышает 5 -10 %) и коэффициент полезного действия (определяется отношением излучаемой звуковой мощности к потребляемой электрической мощности и не превышает 3 %).

Диффузорные громкоговорители получили широкое распространение при озвучивании небольших помещений. Для озвучивания больших площадей применяются звуковые колонки, содержащие несколько диффузорных громкоговорителей.

Рупорный громкоговоритель состоит из излучателя 1 и рупора 2. Излучатель содержит излучающую головку, представляющую собой электродинамический громкоговоритель. Рупор является акустическим устройством в виде металлической трубы переменного сечения, возрастающего по экспоненциальному закону.

Мощность рупорных громкоговорителей составляет от 10 до 100 Вт; коэффициент нелинейных искажений достигает 30 %, а коэффициент неравномерности частотной характеристики – 20 дБ.

Рупорные громкоговорители применяются для озвучивания открытых пространств, например, улиц или железнодорожных станций.