2.1.2 Принципы построения микрофона и телефонного капсюля
Микрофон предназначен для преобразования акустической энергии звука в электрическую энергию. Основной принцип действия микрофона состоит в том, что в электрическую цепь включается прибор, изменяющий свои параметры (обычно сопротивление, иногда — емкость) под давлением звуковой энергии. Микрофоны классифицируются по признаку преобразования акустических колебаний в электрические и подразделяются на:
угольные;
электростатические (конденсаторные и электретные);
пьезоэлектрические.
В качестве основы для преобразования звука в электрический сигнал в микрофоне применялся также кварц и даже световые преобразователи.
Микрофоны характеризуются следующими параметрами:
Чувствительность микрофона – это отношение ЭДС, развиваемой на выходе микрофона, к воздействующему на него звуковому давлению (SPL — Sound Pressure Level) при заданной его величине и частоте (как правило, 1000 Гц), и выраженное в милливольтах на Паскаль (мВ/Па).
Величина звукового давления, развиваемая в специальной камере при измерении чувствительности, обычно равна либо 94 дБ (около 2 Па) или 74 дБ (около 0,2 Па). Например, на расстоянии около метра уровень нормальной речи составляет 60 дБ SPL, уровень 74 дБ SPL – типичная интенсивность звука на расстоянии 30 см от говорящего, 94 дБ SPL – типичная интенсивность звука в 2-3 см от него же.
Уровень чувствительности – эта величина чувствительности, выраженная в относительных единицах (дБ). Уровень определяется относительно 1 В.
Номинальный диапазон рабочих частот – диапазон частот, в котором микрофон воспринимает акустические колебания и в котором нормируются его параметры.
Неравномерность частотной характеристики – разность между максимальным и минимальным уровнями чувствительности микрофона в номинальном диапазоне частот.
Характеристика направленности – зависимость чувствительности микрофона (в свободном пространстве, на определенной частоте) от угла между осью микрофона и направлением на источник звука.
Уровень собственного шума микрофона – это выраженное в децибелах отношение эффективного значения напряжения шума к напряжению, развиваемому микрофоном, при воздействии на него полезного сигнала с эффективным давлением 0,1 Па.
Напряжение шума обусловлено флуктуациями давления в окружающей среде и тепловыми шумами в электрической части микрофона. Индекс указывает на то, что необходимо учитывать особенности восприятия звука человеком.
Угольный микрофон
Рассмотрим принцип построения угольного микрофона, который показан на рис. 3.
Данный тип микрофонов содержит угольный порошок, который под влиянием звуковой энергии меняет свою плотность. При большом звуковом давлении он уплотняется и сопротивление току уменьшается, при уменьшении величины звукового давления сопротивление вновь увеличивается.
Рисунок 3 – Принцип построения угольного микрофона
Для нормальной работы угольного микрофона требуется ток 30 мА. При напряжении 60 В, которое обычно применяется на российских телефонных станциях, такой ток соответствует сопротивлению 2000 Ом. Данное значение включает в себя сопротивление шлейфа (шлейф – это пара проводов, соединяющая телефонный аппарат со станцией) и сопротивление цепей электропитания. Это эквивалентно расстоянию примерно 5-7 км (при использовании медной жилы диаметром 0,04 см). Минимальное значение тока в линии составляет около 15 мА, что соответствует сопротивлению около 4000 Ом, и дает возможность обслуживать абонентов на расстоянии около 10 км с приемлемым качеством передачи сигнала. Для больших расстояний (например, в сельской местности) иногда используется повышенное напряжение электропитания.
Максимальный ток, допустимый в микрофоне, равен 60 мА. Дальнейшее увеличение тока может привести к "спеканию" угольного порошка в сплошную массу и выходу микрофона из строя. Поэтому, чтобы ограничить максимальное значение тока в цепи микрофона, на станции в цепь электропитания включают две обмотки реле с сопротивлением по 500 Ом каждое. Это дает возможность даже на самой короткой линии иметь нормальное значение тока.
Электретные и конденсаторные микрофоны
Хотя угольные микрофоны дают удовлетворительное качество речи, в технике идет постоянное совершенствование работы микрофонов на других физических основах. В современных телефонных аппаратах широко применяются конденсаторные и электретные микрофоны, которые имеют повышенные электроакустические и технические характеристики:
широкий частотный диапазон;
малую неравномерность частотной характеристики;
низкие нелинейные и переходные искажения;
высокую чувствительность;
низкий уровень собственных шумов.
На рисунке 4 приведена схема, поясняющая принцип работы конденсаторного микрофона. Выполненные из электропроводного материала мембрана и электрод разделены изолирующим кольцом и представляют собой конденсатор. Жёстко натянутая мембрана под воздействием звукового давления совершает колебательные движения относительно неподвижного электрода. Конденсатор включен в электрическую цепь последовательно с источником напряжения постоянного тока (GB) и активным нагрузочным сопротивлением (R). При колебаниях мембраны ёмкость конденсатора меняется с частотой воздействующего на мембрану звукового давления. В электрической цепи появляется переменный ток той же частоты и на нагрузочном сопротивлении возникает переменное напряжение, являющееся выходным сигналом микрофона.
Рисунок 4 – Внутренняя схема конденсаторного микрофона
Основным недостатком этого принципа является необходимость подключения источника электропитания (мини-аккумулятора). Дальнейшее усовершенствование этого направления – электретные микрофоны.
Электретные микрофоны работают так же, как и конденсаторные, но они предварительно накапливают постоянное напряжение с помощью заряда электрета, тонким слоем нанесенного на мембрану и сохраняющего этот заряд продолжительное время (свыше 30 лет). Поэтому они не нуждаются в дополнительном элементе электропитания. Электретные микрофоны сегодня более предпочтительны, чем угольные, они более чувствительны и дешевы. Однако они имеют недостаток – чувствительны к внешним воздействиям, таким, например, как помехи бытовых электроприборов.
Поскольку электростатические микрофоны обладают высоким выходным сопротивлением, то для его уменьшения, как правило, в корпус микрофона встраивают истоковый повторитель на полевом n-канальном транзисторе с p-n переходом. Это позволяет снизить выходное сопротивление до величины не более 3 ÷ 4 кОм и уменьшить потери сигнала при подключении к входу усилителя сигнала микрофона. На рис. 5 приведена внутренняя схема электретного микрофона с двумя выводами.
Рисунок 5 – Внутренняя схема электретного микрофона с двумя выводами
Выше рассмотрены физические принципы работы различных типов микрофонов. На практике приходится решать множество вопросов, связанных с условиями эксплуатации (климатические воздействия, возможность переноса микрофона, акустические требования) и особенностями конкретных материалов, из которых изготавливаются микрофоны.
На рисунке 6 представлены капсульные микрофоны МК (микрофон капсульный) модели МК-16(рис. 6б) и МК-10(рис 6а).
Рисунок 6 – Капсульные микрофоны МК-10(а) и МК-16(б)
1,3 – электроды, 2 – угольный порошок, 4 – мембрана, 5, 14 – латунный и фенопластовый корпуса, 6 – основание, 7, 8 – крышки, 9, 13 – влагозащитная и капроновая прокладки (пленки), 10 – изолирующая втулка, 11 – контакт, 12 – ободок
Принципы построения электромагнитного телефонного капсюля
Наиболее распространенной является электромагнитная схема телефонного капсюля (рис. 7а).
а) б)
Рисунок 7 – Принципы построения электромагнитного телефонного капсюля
На рис. 7 сплошные линии показывают исходное состояние мембраны, а прерывистые – колебания мембраны. На рис. 7а колебания односторонние. На рис. 7б исходное положение мембраны из-за исходного подмагничивания вогнутое и колебания идут в две стороны.
При этом телефон содержит электромагнит, состоящий из обмотки, сердечника и железной пластинки. Под влиянием тока, приходящего из линии, в телефоне вырабатывается электромагнитная энергия, которая приводит в действие металлическую пластину. Движение этой пластины порождает звук. Рассматриваемая конструкция имеет один недостаток. Он заключается в том, что порождаемое магнитное поле не зависит от полярности проходящего тока. На любое увеличение тока электромагнит отвечает увеличением магнитной силы, независимо от полярности, и на синусоидальный сигнал порождает однополярный поток, который вызывает искажение речи. Поэтому вводится постоянное подмагничивание.
Дифференциальный принцип построения телефонного капсюля
В телефонном капсюле, основанном на этом принципе, электромагнитная цепь совместно с механической частью мембраны построена таким образом, что передает различные полярности значений тока колебаниями мембраны в различные стороны от нейтрального положения (рис. 8).
Телефонный капсюль содержит дифференциальную систему, а обмотки создают два противоположных потока. Имеются также рычаги, один из которых воздействует на мембрану вверх и вниз до нейтрального положения, а другой – вниз и вверх до нейтрального положения. Таким образом, в зависимости от полярности тока мембрана принимает два различных положения. При этом искажения, которые возникают в обычной цепи без подмагничивания, устраняются за счет усложнения механической системы.
Рисунок 8 – Принцип работы телефонного капсюля с дифференциальной
рабочей цепью
Некоторые примеры реальных телефонных капсюлей приведены на рис. 9.
Рисунок 9 – Телефонные капсюли: а) ТА-4; б) ТК-67
1 – корпус, 2 – крышка, 3 – мембрана, 4 – полюсные надставки, 5 – электрообмотки, б – каркас катушки, 7 – отверстие, 8 – защитная прокладка, 9 – резьба, 10 – контактный винт, 11 – постоянный магнит.
Телефонный капсюль имеет пластмассовый корпус (1), в дно которого впрессован постоянный магнит (11) с полюсными надставками (4). На свободные концы надставок надеты катушки электромагнита телефона. Обмотки катушек соединены последовательно, а их свободные концы припаяны к штифтам, которые впрессованы в корпус телефона. С нижней стороны в штифты ввернуты контактные винты, с помощью которых телефон подключается к схеме ТА. Сверху телефонный капсюль закрыт крышкой (2), которая навинчивается на корпус. В крышке имеются отверстия (7).
Для оценки качества телефона как преобразователя электрических колебаний в звуковые используют понятие чувствительности телефона. Чувствительностью телефона (Па/мВ) называют величину, которая определяется отношением звукового давления, развиваемого испытуемым телефоном в камере искусственного уха, к переменному напряжению, приложенному к его зажимам. Искусственным ухом называется измерительный прибор, акустические параметры которого соответствуют уху человека (прибор, который имитирует среднюю акустическую нагрузку на телефон, создаваемую ухом человека).
Частотная характеристика чувствительности телефона показывает зависимость чувствительности телефона от частоты при постоянном значении напряжения, приложенного к его зажимам. Частотная характеристика чувствительности неравномерна по сравнению с телефонами, имеющими специальные акустические перегородки.
Для выравнивания частотной характеристики чувствительности телефона в его механико-акустическую систему вводят пластмассовую перегородку, которая делит на две части объем под мембраной. Перегородка имеет форму диска с двумя отверстиями, затянутыми шелком, и двумя отверстиями для полюсных надставок, и кладется в специальный паз корпуса таким образом, чтобы полюсные надставки выступали над ней. Объем воздуха между мембраной и акустической перегородкой вместе с воздухом, колеблющимся в отверстиях перегородки, демпфирует (уменьшает) колебание мембраны на резонансной частоте и тем самым выравнивает частотную характеристику чувствительности телефона. На рис. 10 приведены основные параметры телефонных капсюлей ТА-4, ТК-67.
Рисунок 10 – Частотные характеристики чувствительности телефонов