5.6. Пьезомикрофоны
В этом типе микрофонов используют явление пьезоэффекта: при деформации пластинки, вырезанной из кварца, сегнетовой соли и других кристаллов, а также пьезокерамик (титаната бария и др.), происходит ее поляризация, т. е. выделение зарядов на плоскостях. Если пластинку вырезать под определенным углом к оси кристалла, то можно получить поляризацию при деформации пластинки от ее поперечного изгиба. При наклеивании металлических электродов на две противоположные грани пластинки между ними получают разность потенциалов, пропорциональную величине деформации пластинки от поперечного изгиба.
Для получения (небольшого механического сопротивления при изгибе пластинку берут очень тонкой, а для получения небольшого электрического сопротивления длину и ширину пластинки выбирают сравнительно большими. Для уменьшения электростатического (гистерезиса, аналогичного магнитному, склеивают две пластинки пьезоэлемента со встречным расположением электрических осей. В этом случае пьезоэлемент называют биморфным.
Пьезомикрофоны относят к электростатическому типу микрофона, поскольку основные соотношения, управляющие процессами преобразования колебаний, сходны с происходящими в электростатических преобразователях, например, типа электретных.
Разница между ними заключается в том, что пьезоэлектрические преобразователи не требуют электрической поляризации: электрический заряд у них образуется при деформации. У электретных преобразователей имеющийся заряд как бы пульсирует в такт изменению емкости преобразователя, вызываемой деформацией электрета.
Применение микрофонов с кристаллами из сегнетовой соли ограничено температурной зависимостью ее работы. Допустимые пределы температур от —18 до +220. Наиболее пригодны для микрофонов титанат бария и другие керамические материалы, работающие (практически) в любом диапазоне температур. Основными недостатками пьезомикрофонов являются их высокое входное сопротивление, сложность механической системы, низкая чувствительность и большая неравномерность частотной характеристики. Применение их очень ограничено.
5.7. Электромагнитные микрофоны
Приемник давления. Принцип действия электромагнитных микрофонов этого типа (рис. 5.18) основан на возникновении ЭДС в катушке 1 при изменении магнитного потока, протекающего через сердечник катушки 8. Изменение магнитного потока получается вследствие изменения воздушного зазора 5 в магнитной цепи, между диафрагмой 3 и полюсным наконечником керна 4. Этот зазор изменяется при колебании диафрагмы и модулирует магнитный поток. Последний создается постоянным магнитом 2, сделанным из высококоэрцитивных материалов, чаще всего сплавов алюминия и никеля, и проходит через сердечник катушки, полюсный наконечник, воздушный зазор и диафрагму. Сердечники и диафрагму изготовляют из мягкого магнитного материала (пермаллой, пермендюр и другие железоникелевые сплавы).
Электрическая характеристика такого микрофона определяется индуктивностью катушек LK (активное сопротивление невелико, поэтому внутреннее сопротивление его в передаваемом диапазоне частот растет пропорционально частоте. Микрофон обычно нагружают на активное сопротивление, равное модулю его внутреннего сопротивления на частоте 1000 Гц, т. е. RH= |Zi|1000Гц.
Рис. 5.18. Электромагнитный микрофон: а) конструкция капсюля; б) частотная характеристика микрофона МЭМ-60 (сплошная линия) и оптимальная (пунктир) ;
1 — катушка; 2 — кольцевой магнит; 3 — диафрагма; 4 — керн; 5 — зазор; 6 — отверстия в амбушюре; 7 — надмембранный объем; 8 — сердечник; 9— корпус
Приемник градиента давления (см. рис. 5.19 б). Этот тип микрофона предназначен также только для передачи речи по системам связи, оповещения, диспетчерских систем и т. п. Его акустическая, механическая и магнитная системы являются дифференциальными. В капсюле такого микрофона (рис. 5.20а) расположены два кольцевых магнита 1 с полюсными наконечниками 2 и
Рис. 5.20. Дифференциальный электромагнитный микрофон: а) конструкция; б) частотная характеристика микрофона ДЭМШ-1А (сплошная кривая) и оптимальная (пунктир);
1— кольцевые магниты; 2 — магнитопровод; 3 — воздушный зазор; 4—диафрагма; 5 —гофрировка диафрагмы; 6 — канал для подачи звукового давления к диафрагме
диафрагмой 4, между которыми с обеих сторон воздушные зазоры 3. По краям диафрагмы делают кольцевую гофрировку 5, чтобы она могла колебаться как одно целое (т. е. как поршень). На полюсных наконечниках размещены катушки, соединенные между собой последовательно. Звуковые волны проходят через каналы 6. В состоянии покоя диафрагма занимает среднее положение и магнитный поток в лей практически равен нулю (это дает возможность использовать тонкую диафрагму, так как нет опасности ее насыщения). При смещении диафрагмы под действием звукового давления лоток в одной магнитной цепи увеличивается, а в другой — уменьшается, и через диафрагму идет разностный поток. Индуктируемые напряжения в катушках складываются арифметически, так как находятся в фазе.
Капсюль микрофона размещен в пластмассовом корпусе, имеющем отверстия (см. рис. 5.19б), соединяющиеся с каналами 6. Эти отверстия вместе с каналами образуют резонатор Гельмгольца.
Размеры микрофона невелики: диаметр 23 мм, толщина 11 мм. Этот микрофон размещают только в ближней зоне источника звука на расстоянии 2—2,5 см от рта говорящего. Располагать микрофон необходимо сбоку от рабочей оси рта, так как иначе при произнесении взрывных звуков речи из-за завихрений, образующихся около микрофона, возникают значительные нелинейные искажения в виде хрипов. Характеристика акустической чувствительности этого микрофона, полученная с учетом реакции его на градиент давления и близости к источнику звука, имеет равномерный участок до частоты 1000 Гц и небольшой подъем выше этой частоты, т. е. мало отличается от характеристики электромагнитного микрофона приемника давления. Остальные характеристики у приемника градиента давления такие же, как у приемника давления. Резонанс механической системы у него выбирают также на частотах около 2500 Гц и также с помощью акустической коррекции получают равномерную частотную характеристику в диапазоне до 3500 Гц и даже до 5000 Гц. Нижняя граница передаваемого частотного диапазона находится около 250— 300 Гц. Неравномерность частотной характеристики (по отношению к тенденции 6 дБ/окт) не превышает 6 дБ (см. рис. 5.20б). Уровень чувствительности находится около — 60 дБ. Так как этот микрофон имеет высокую шумостойкость , то его используют для работы в шумах высокого уровня (до 110—115 дБ) и называют дифференциальным электромагнитным шумостойким микрофоном (ДЭМШ). Микрофон — приемник градиента давления второго порядка — составлен из двух микрофонов ДЭМШ с дифференциальным включением. Такой же микрофон можно получить, применив один микрофон, снабженный специальной звукоподводящей трубкой, направляющей дополнительную звуковую волну непосредственно на микрофон. Таким образом, на микрофон действует разность давлений двух волн. Такие микрофоны обладают высокой шумоустойчивостью и могут работать в шумах с уровнем до 123 дБ.