Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книжки / petrov_p_n_akustika_elektroakusticheskie_preobrazovateli_uch

.pdf
Скачиваний:
65
Добавлен:
20.02.2016
Размер:
684.94 Кб
Скачать

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения

П. Н. Петров

АКУСТИКА

ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЕ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Учебное пособие

Санкт-Петербург

2003

УДК 681.885(075) ББК 32.87

П30

Петров П. Н.

П30 Акустика. Электроакустические преобразователи: Учеб. пособие/ СПбГУАП. СПб., 2003. 80 с.: ил.

Учебное пособие по разделу "Электроакустика" курса "Акустика" содержит сведения по теории электроакустических преобразователей; по основным параметрам и характеристикам громкоговорителей, акустических систем, телефонов и микрофонов.

Предназначено для студентов, обучающихся по специальности "Аудиовизуальная техника" дневного отделения факультета радиотехники, электроники и связи.

Рецензенты:

кафедра проектирования электронных систем Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. М. А. Бонч-Бруевича;

кандидат технических наук профессор О. С. Астратов

Утверждено

редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

© СПбГУАП, 2003

© П. Н. Петров, 2003

2

ПРЕДИСЛОВИЕ

Курс "Акустика" является одним из основных в блоке специальных дисциплин государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по специальности 201400 "Аудиовизуальная техника" направления "Радиотехника".

Акустика – раздел физики, изучающий особенности распространения и преобразования механических (в частности, звуковых) колебаний и волн в твердых телах, жидкостях и газах. Звуком называют механические колебания в диапазоне слышимости (16 Гц–20 кГц). Акустика подразделяется на теоретическую и техническую (прикладную).

Техническая акустика решает проблемы создания микрофонов и громкоговорителей, записи и воспроизведения звука, архитектурной акустики, шума и вибраций, подводной акустики. В курсе по данной специальности рассматривается распространение и преобразование звуковых колебаний и волн в воздухе.

Предметом технической акустики являются колебания механоакустических или более сложных механоэлектроакустических систем. Три типа систем: механические, электрические и акустические – трактуются с единых теоретических (например, радиотехнических) позиций. Такой подход называется "электроакустическим", и электроакустика является основой технической акустики.

Учебное пособие охватывает раздел "Электроакустические преобразователи" курса "Акустика". Рассматриваются вопросы электроакустики, связанные с теорией электроакустических преобразователей, классификацией, принципами построения, параметрами и характеристиками микрофонов, громкоговорителей, телефонов, акустических систем.

Учебное пособие может быть использовано студентами вузов, обучающимися по другим специальностям, входящим в направление "Телекоммуникации".

3

ВВЕДЕНИЕ

Область акустики, занимающаяся теорией, расчетом и конструированием устройств, преобразующих акустическую энергию в электрическую и наоборот, называется электроакустикой. Устройства, осуществляющие это преобразование, называются электроакустическими преобразователями (ЭП). По принципу действия они делятся на две большие группы.

К первой группе относятся обратимые устройства, которые в состоянии преобразовать акустическую энергию в электрическую и электрическую энергию в акустическую. Большинство преобразователей, применяемых в электроакустике, обратимы. Иногда только их и называют непосредственно преобразователями.

Ко второй группе относятся необратимые, или вентильные преобразователи. В этих устройствах одна форма энергии (например, акустическая) является управляющей, регулирующей значение другой.

Вкачестве примера можно привести угольный микрофон, действие которого основано на изменении сопротивления между зернами угольного порошка при изменении давления на его диафрагму. При постоянном приложенном напряжении протекающий ток меняется (модулируется) пропорционально изменению сопротивления. К вентильным преобразователям относятся ионофоны: с факельным разрядом, высокочастотным дуговым разрядом и коронным разрядом постоянного тока, – которые пока не получили широкого распространения.

При преобразовании одного вида энергии в другой могут быть использованы силы, возникающие либо в результате действия магнитного поля тока, либо при взаимодействии заряженных тел.

Вслучае преобразования электрической энергии в акустическую говорят о режиме излучения, а сами устройства иногда называют преобразователями-двигателями. При обратном преобразовании, т. е. режиме приема, устройства называются преобразова- телями-генераторами.

4

1. ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИХ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

1.1. Основные соотношения электроакустического

преобразователя

Представим обратимый ЭП структурной схемой (рис. 1), на вход которого (блок 1) подводится электрическая энергия. Она частично превращается в энергию механических колебаний подвижной системы (блок 2), а затем в блоке 3 происходит частичное превращение механической энергии в энергию звукового поля. Определение последней составляет задачу расчета режима излучения преобразователя. В режиме приема происходит преобразование энергий, проходящее те же этапы в обратном направлении.

Излучение

I

v

U

 

 

1

 

2

 

3

F

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Прием

Рис. 1. Структурная схема обратимого ЭП:

1 – электрическая; 2 – механическая; 3 – акустическая части

В преобразовании энергии участвуют описывающие ее четыре параметра. Для электрического поля основными параметрами, характеризующими энергию, являются напряжение U и ток I, а для акустического

– сила F и колебательная скорость v. Будем рассматривать преобразователь как своеобразный четырехполюсник с акустической и электрической сторонами (пунктир на рис. 1). Предполагается, что акустическая и электрическая энергии поступают в преобразователь, каждая со своей стороны.

5

Согласно общей теории обратимого линейного преобразователя, уравнения двустороннего электромеханического преобразования представляются следующими комплексными зависимостями между переменными величинами на входе и на выходе:

U = ZI K1v; F = zv + K2 I .

(1.1)

Верхний знак относится к так называемым индуктивным, нижний

– к емкостным преобразователям. В первых преобразователях движение вызывается электродинамическими силами взаимодействия токов и их магнитных полей, а токи создаются ЭДС, возбуждаемыми движениями магнитных полей или проводников. Во вторых преобразователях движение обусловлено электростатическими силами взаимодействия между заряженными телами, а разности потенциалов вызываются изменением относительного расположения заряженных тел.

Будем анализировать чисто периодические процессы с круговой частотой ω = 2πf , что не ограничивает общности рассмотрения, так как все временные зависимости можно с помощью преобразования Фурье перевести в периодические процессы.

Обозначим Z = Z в выражении (1.1) как собственное электрическое

0

сопротивление преобразователя при полностью заторможенном акустическом блоке (мембране) (v = 0), т. е. в режиме короткого акустичес-

кого замыкания. Величина z = z – собственное механическое сопро-

0

тивление преобразователя в отсутствии электрической нагрузки (I = 0),

т. е. на холостом ходу. Величины K – коэффициенты преобразования,

1,2

которые и характеризуют устройство. Для обратимого преобразователя

K

=

U0

;

K

2

=

F0

,

 

 

 

 

1

 

v

 

 

I

 

(1.2)

 

 

 

 

 

 

 

соответственно, при I = 0 и v = 0. У четырехполюсника, к которому

применим принцип взаимности, коэффициенты K и K

равны. Отсюда

 

 

1

2

±

F0

=

U0

= K.

(1.3)

I

 

 

 

v

 

Эта важная формула выражает теорему взаимности и описывается следующим образом. Если к электрической стороне преобразователя приложено напряжение, вызывающее на механической стороне скорость, а при действии на механическую сторону силы, вызываю- 6

щей на электрической стороне ток, то имеет место равенство модулей отношений напряжения к скорости и силы к току.

В общем случае рассмотрения преобразователей это не верно, равенство соблюдается только по абсолютным значениям, в связи с чем их и называют "симметрично-мощностными" четырехполюсниками. Если K

– величина чисто мнимая, то полностью применим принцип взаимности. Коэффициент K называют коэффициентом электромеханической связи.

Уравнения (1.1) относятся к так называемой эквивалентной схеме по напряжению, так как из нее можно определить напряжение U на клеммах четырехполюсника. Преобразовав (1.1), получаем

I = U ± Kv = UZ −1 ± Nv;

ZZ

U

K 2

2

(1.4)

 

 

 

 

 

F = K + ( z ±

 

)v = NU + ( z ± N Z )v,

 

 

ZZ

где величина N = K/Z называется коэффициентом электромеханической трансформации, Ас/м или Н/В, и определяется соотношением

N =

I0

=

F0

(1.5)

 

 

 

v U

 

при U = 0 и z = 0 соответственно. Уравнения (1.4) описывают так называемую эквивалентную схему по току. Какое из выражений, (1.1) или (1.5), целесообразней применять, зависит от конкретных обстоятельств.

1.2. Физические принципы преобразования

Рассмотрим физический смысл и принципиальное значение коэффициента электромеханической связи.

В ЭП используют два физических явления. Первое – это силовое воздействие на заряды в электрическом поле, второе – это силовое воздействие на электрический ток в магнитном поле. Отсюда возникли четыре основных направления в разработке ЭП.

Электродинамический преобразователь. Принцип действия таких преобразователей, наиболее часто встречающихся на практике, основывается на использовании закона индукции. Переменные магнитные поля индуцируют в электрических проводниках напряжение, кроме того, с магнитными полями связано возникновение электродинамических сил. На рис. 2 показана принципиальная схема электродинамического преобразователя.

7

2

3

Рис. 2. Электродинамиче-

ский преобразователь

1

Его работа заключается в следую-

 

 

щем. Очень легкая катушка 3, через

 

которую протекает ток, помещается в

 

зазор между полюсами постоянного

 

магнита 2. Одно целое с катушкой со-

 

ставляет жесткая мембрана 4, укреп-

 

ленная на упругой подвеске 1. Магнит-

 

ная индукция в зазоре постоянного маг-

4 нита равна B , и если через l выража-

0

ется длина провода на катушке, то приложенная к катушке сила, согласно закону Био-Савара, равна

F0 = B0lI .

(1.6)

 

Эта сила приводит в движение катушку и мембрану. На этом принципе основана работа электродинамического громкоговорителя (Гр).

С другой стороны, если находящийся в магнитном поле проводник будет приведен в движение со скоростью v, то в нем возникнет ЭДС

E0 = B0lv.

(1.7)

 

На этом принципе основана работа электродинамического микрофона. Из выражений (1.6) и (1.7) с учетом (1.3) можно определить коэффи-

циент K для электродинамических преобразователей

K = B0l.

(1.8)

 

Электростатический преобразователь. Принцип действия электростатических преобразователей основан на использовании закона Кулона о взаимном притяжении двух зарядов.

Для конденсатора, один электрод которого выполнен в виде диафрагмы (рис. 3) и подключен к источнику постоянного напряжения U, при колебании диафрагмы с переменной скоростью v будет создаваться переменная ЭДС

 

U v

 

E0 =

jω0d ,

(1.9)

где d – расстояние между обкладками конденсатора при ω = 0; ω – частота колебаний. Это связано с тем, что при изменении d (за счет v) меняется емкость конденсатора

8

С =

ε0 S

,

(1.10)

d

 

 

 

где ε0 – электрическая постоянная; S – площадь обкладок, а следовательно, и его заряд

q = CU 0 ,

(1.11)

 

что вызывает появление переменного тока. На этом принципе основано функционирование конденсаторного микрофона.

d

3

v

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

E

Zн → ∞

U

0

Рис. 3. Преобразователь электростатического типа:

1 – диафрагма; 2 – неподвижный электрод; 3 – изоляция

Работа конденсаторного Гр основана на том, что при протекании тока I, вызываемого приложенным к нему переменным напряжением

U << U 0 , действует переменная сила

F =

U0

I .

 

 

(1.12)

0

jωd

 

 

 

 

Учитывая выражения (1.3), (1.9) и (1.12), можно определить коэффициент электромеханической связи для электростатических преобразователей

K =

F0

=

E0

=

U0

.

 

 

 

 

(1.13)

 

I v jωd

 

В этом случае коэффициент K зависит от частоты передаваемых колебаний, что следует учитывать при конструировании преобразователей.

Аналогичным образом функционирует электретный микрофон. Он подобен конденсаторному, но разность потенциалов на обкладках конденса-

9

тора обеспечивается не внешним источником, а электрическим зарядом мембраны или неподвижного электрода, материалы которых отличаются тем, что способны сохранять этот заряд длительное время.

 

 

 

 

 

Электромагнитный пре-

а)

N

 

 

 

образователь. В преобразо-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вателе этого вида использо-

 

 

 

 

 

вано изменение магнитного

 

v

E

 

 

потока магнита при измене-

 

В

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

нии магнитного сопротивле-

 

 

 

 

 

ния или изменение силы при-

 

S

 

 

 

тяжения якоря при изменении

1

 

 

 

потока. Если мембрану 1 из

 

3

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

ферромагнитного материала

б)

 

 

 

 

приближать или удалять от

 

 

 

 

 

 

N

 

 

I

постоянного магнита 2 со ско-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ростью v (рис. 4), т. е. изме-

 

 

 

 

 

нять величину магнитного

 

F

 

 

 

 

 

 

 

 

 

потока B, протекающего че-

Uрез сердечники катушек 3, то

 

в них будет индуцироваться

S

переменная ЭДС

 

E0 = B0 Lk v / n,

 

Рис. 4. Электромагнитный преобразователь при

(1.14)

работе: а – на прием; б – на излучение

где B – индукция в магнитной

 

0

 

 

цепи (в отсутствие колебаний);

n – число витков в катушке; L – индуктивность катушки. Такие преоб-

k

разователи применяют в наушниках телефонных аппаратов, микрофонах и звукоснимателях механических систем записи звука.

С другой стороны, если к катушкам приложить переменное напря-

жение U, создающее в них ток I, то при условии B < B

на мембрану

 

0

будет действовать переменная сила

 

F0 = B0 Lk I / n.

(1.15)

Ввиду двух последних выражений электромеханический преобразователь электромагнитного типа имеет коэффициент электромеханичес-

кой связи

 

K =

B0 Lk

.

(1.16)

 

 

n

 

10

Соседние файлы в папке книжки