4.2 Виды акустоэлектрических преобразователей

Акустическая энергия, возникающая во время звучания речи, может вызвать механические колебания элементов электронной аппаратуры, что в свою очередь приводит к появлению электромагнитного излучения или его изменению при определенных обстоятельствах. Виды акустоэлектрических преобразователей представлены на рисунок 4.3. Наиболее чувствительными к акустическим воздействиям элементами радиоэлектронной аппаратуры являются катушки индуктивности и конденсаторы переменной емкости.

Рис. 4.3. Виды акустоэлектрических преобразователей

Индуктивные преобразователи

Если в поле постоянного магнита поместить катушку индуктивности (рамку) и привести ее во вращение с помощью, например, воздушного потока (рисунок 4.4), то на ее выходе появится ЭДС индукции.

Рис. 4.4. Вращение рамки в магнитном поле приводит к генерации ЭДС

Во время звучания человеческой речи возникает воздушный поток переменной плотности. Раз так, то можно ожидать, что под воздействием воздушного потока речи будет вращаться и катушка (рамка), что вызовет пропорциональное изменение ЭДС индукции на ее концах. Так можно связать акустическое воздействие на проводник в магнитном поле с возникающей ЭДС индукции на его концах. Это типичный пример группы индукционных акустических преобразователей. Представителем этой группы является, например, электродинамический преобразователь.

Рассмотрим акустическое воздействие на катушку индуктивности с сердечником (рисунок 4.5). Механизм и условия возникновения ЭДС индукции в такой катушке сводятся к следующему:

Рис. 4.5. Возникновение ЭДС на катушке индуктивности

- под акустическим давлением Р появляется вибрация корпуса и обмотки катушки;

- вибрация вызывает колебания проводов обмотки в магнитном поле, что и приводит к появлению ЭДС индукции на концах катушки. Эта ЭДС определяется по формуле:

,

где N_фс - магнитный поток, замыкающийся через сердечник; N_фв - магнитный поток, замыкающийся через обмотки по воздуху; B₀ - вектор магнитной индукции; μ_с(t) - магнитная проницаемость сердечника; μ₀(t) - магнитная постоянная; φ_с(t) - угол между вектором B₀ и осью сердечника; φ₀(t) - угол между вектором B₀ и осью катушки; S_с - площадь поперечного сечения сердечника; S₀ - площадь поперечного сечения катушки.

Индуктивные преобразователи подразделяются на электромагнитные, электродинамические и магнитострикционные.

К электромагнитным преобразователям относятся такие устройства, как громкоговорители, электрические звонки (в том числе и вызывные звонки телефонных аппаратов), электрорадиоизмерительные приборы.

Примером непосредственного использования этого эффекта для цепей акустического преобразования является электродинамический микрофон (рисунок 4.6).

Рис. 4.6. Возникновение ЭДС в электродинамическом микрофоне

ЭДС на выходе катушки определяется по формуле:

,

где — индукция магнитного поля; — длина намотки катушки; — скорость перемещения катушки в постоянном магнитном поле.

Возникновение ЭДС на входе такого преобразователя принято называть «микрофонным эффектом». Можно утверждать, что микрофонный эффект способен проявляться как в электродинамической, так и в электромагнитной, конденсаторной и других конструкциях, широко используемых в микрофонах самого различного назначения и использования.

«Микрофонный эффект» электромеханического звонка телефонного аппарата

Электромеханический вызывной звонок телефонного аппарата - типичный образец индуктивного акустоэлектрического преобразователя, микрофонный эффект которого проявляется при положенной микротелефонной трубке.

ЭДС микрофонного эффекта звонка (рисунок 4.7) может быть определена по формуле:

E_мэ = η∙P,

где η – акустическая чувствительность звонка; P – акустическое давление.

,

где V – магнитодвижущая сила постоянного магнита; S – площадь якоря (пластины);

μ₀ – магнитная проницаемость сердечника; N – количество витков катушки; S_М – площадь полосного наконечника; d – величина зазора; Z_М – механическое сопротивление.

По такому же принципу (принципу электромеханического вызывного звонка) образуется микрофонный эффект и в отдельных типах электромеханических реле различного назначения и даже в электрических вызывных звонках бытового назначения.

Акустические колебания воздействуют на якорь реле (рис.4.8). Колебания якоря изменяют магнитный поток реле, замыкающийся по воздуху, что приводит к появлению на выходе катушки реле ЭДС «микрофонного эффекта».

Рис. 4.7. Схема возникновения ЭДС на вызывном звонке

Рис. 4.8. Схема возникновения ЭДС на реле

«Микрофонный эффект» громкоговорителей

Динамические головки прямого излучения, устанавливаемые в абонентских громкоговорителях, имеют достаточно высокую чувствительность к акустическому воздействию (2–3мВ/Па) и сравнительно равномерную в речевом диапазоне частот амплитудно-частотную характеристику, что обеспечивает высокую разборчивость речевых сигналов.

Величина ЭДС опасного сигнала может быть определена из соотношения:

E_мэ = η∙P, ,

где η - акустическая чувствительность звонка, L - длина проводника, движущегося в магнитном поле с индукцией B; B - магнитная индукция; S - площадь поверхности, подверженной влиянию давления акустического поля; Z_М - механическое сопротивление.

Рис. 4.9. Схема возникновения ЭДС на громкоговорителе

Известно, что абонентские громкоговорители бывают одно- и многопрограммными. Трехпрограммные абонентские громкоговорители, в соответствии с ГОСТ 18286-88 (“Приемники трехпрограммные проводного вещания. Общие технические условия”), имеют основной канал (НЧ) и каналы радиочастоты (ВЧ), включенные через усилитель-преобразователь. Усилитель-преобразователь обеспечивает преобразование ВЧ сигнала в НЧ сигнал с полосой 100-6300 Гц за счет использования встроенных гетеродинов. Так, например, в трехпрограммном громкоговорителе “Маяк 202” используется два гетеродина для второй и третьей программ ВЧ. Один вырабатывает частоту 78 кГц, а другой - 120 кГц.

Наличие сложной электронной схемы построения трехпрограммных громкоговорителей (обратные связи, взаимные переходы, гетеродины) способствует прямому проникновению сигнала, наведенного в динамической головке, на вход устройства (в линию). Не исключается и излучение наведенного сигнала на частотах гетеродина (78 и 120 кГц).

«Микрофонный эффект» вторичных электрочасов

Исполнительное устройство вторичных электрочасов представляет собой шаговый электродвигатель, управляемый трехсекундными разнополярными импульсами U = 24В, поступающими с интервалом 57 с от первичных электрочасов.

«Микрофонный эффект» вторичных часов, обусловленный акустическим эффектом шагового электродвигателя (рисунок 4.10), проявляется в основном в интервалах ожидания импульсов управления.

Рис. 4.10. Схема возникновения ЭДС на шаговом двигателе

Степень проявления «микрофонного эффекта» вторичных электрочасов существенно зависит от их конструкции, т.е. выполнены ли они в пластмассовом, деревянном или металлическом корпусе; с открытым или закрытым механизмом; с жестким или подвесным креплением.