книги из ГПНТБ / Константинов П.А. Авиационная радиосвязь

Направленные микрофоны градиента давления применяются в радиовещании. В системах служебной связи применяются, как правило, ненаправленные микрофоны давления. Наибольшее распространение находят угольные микрофоны, электродинами­ ческие микрофоны с подвижной катушкой и электромагнитные микрофоны.

Схематически устройство угольного микрофона показано на рис. 5.16. Его основными частями являются подвижный 1 и не­ подвижный 2 угольные электроды, уголь­ ный порошок 3, находящийся между ними, а также корпус 4. При разговоре зву­ ковое давление будет вызывать колеба-

ния, при этом угольный порошок будет либо уплотняться, либо разрыхляться, а сопротивление порошка — соответственно уменьшаться или увеличиваться. Это приводит к изменению тока внешнего источника напряжения. Таким образом, угольный микрофон не является непосредственным преобразователем механической энергии в электрическую. Он подобен реле, кото­ рое, аналогично усилительной лампе, управляет током внешнего источника напряжения.

Устройство электродинамического микрофона с подвижной ка­ тушкой поясняется на рис. 5.17. Он состоит из поршневой мем­ браны 1 с жесткой средней частью, выполненной в виде сферы, и прикрепленной к ней цилиндрической катушки 2, распола­ гающейся в кольцеобразном воздушном зазоре сильного посто­ янного магнита 3. Катушка колеблется вместе с диафрагмой и пересекает радиальное магнитное поле. Благодаря этому на за­ жимах катушки индуктируется электродвижущая сила, пропор­ циональная скорости движения. Отверстия 4 и 5, связывающие внутренние объемы микрофона между собой и с наружным воз­

190

духом, необходимы для получения нужных характеристик. Та­ кой микрофон работает как .ненаправленный микрофон давле­ ния примерно до частот 2—3 кгц. На более высоких частотах начинают проявляться, направленные свойства микрофона.

Примером направленного электродинамического микрофона может служить ленточный микрофон, применяющийся в радио­

вещании и для измерительных целей, работающий как микро­ фон градиента давления.

Вкачестве микрофона может быть использован электромаг­ нитный телефон (см. ниже). Такой микрофон может быть на­ зван электромагнитным.

Вотличие от угольного микрофона, электродинамический и электромагнитный микрофоны не требуют внешнего источника напряжения и являются непосредственными преобразователями механической энергии в электрическую.

Помимо угольных, электродинамических и электромагнит­ ных микрофонов, находят применение микрофоны, основанные на использовании других видов электромеханической связи, на­ пример, конденсаторные и пьезоэлектрические микрофоны. Дей­ ствие конденсаторного микрофона основано на получении пере­ менного тока за счет изменения емкости конденсатора, одна из обкладок которого представляет собой колеблющуюся мембра­ ну. другая — неподвижный электорд. Конструктивно конденса-' торные микрофоны выполняются по-разному и могут быть либо ненаправленными, либо направленными с диаграммой направ­ ленности в виде восьмерки или кардиоиды.

Действие пьезоэлектрического микрофона основано на ис­ пользовании пьезоэффекта. Вопрос о применимости того или иного микрофона в различных системах связи решается на ос­ нове анализа их характеристик.

Одной из основных характеристик микрофона является его чувствительность. Вообще чувствительностью преобразователя называется отношение эффекта на выходе к воздействию на входе [13]. Применительно к микрофону чувствительность есть отношение эффективного напряжения, развиваемого микрофо­ ном, к эффективному давлению в свободном звуковом поле в точке, занимаемой микрофоном,

В ряде случаев чувствительность микрофона выражается в децибелах. Она равна

где Ем0 — нулевой уровень чувствительности, равный, если нет иных оговорок, 1 в/бар.

191

Понятие чувствительности требует разъяснений. Развиваемое микрофоном напряжение зависит, от режима его работы. Оно обычно определяется либо для режима холостого хода (сопро­ тивление нагрузки Z H= оо), либо при работе на согласованное сопротивление, когда активное сопротивление нагрузки равно

т. е. в два раза меньше, чем в первом случае. Поэтому чувстви­ тельность при работе на согласованную нагрузку меньше чув­ ствительности в режиме холостого хода на 20 •lg2 = 6 дб.

Наряду с чувствительностью иногда используют понятие от­ дачи микрофона. Под этим понимается величина эффектив­ ного напряжения или величина мощности, развиваемые микро­ фоном на нагрузке Z„ при определенном звуковом давлении р. Отдаваемая в нагрузку мощность максимальна, если сопротив­ ление нагрузки равно модулю внутреннего сопротивления мик­ рофона.

Чувствительность микрофонов, как правило, значительно изменяется в рабочем диапазоне частот. Поэтому в некоторых случаях пользуются понятием средней чувствительности

ствующего на него акустического давления определяет его час тотную характеристику.

На рис. 5.18 приведены частотные характеристики микро­ фонов, использующихся в авиационной связной аппаратуре. Из этого рисунка видно, что в речевом диапазоне частот чув­ ствительность микрофонов изменяется в широких пределах — от сотых долей мв/бар до нескольких мв,/бар. Изрезанность ха­ рактеристики объясняется сложностью колебательной системы, резонансными свойствами мембраны и акустического простран­ ства.

Для получения более равномерной частотной характеристи­ ки собственная частота мембраны должна лежать выше рабо­ чего диапазона частот. Это достигается уменьшением веса мем­ браны, ее натяжением. Однако слишком сильное натяжение вызывает уменьшение амплитуды колебаний и понижение чув­ ствительности микрофона.

Наиболее высокую чувствительность имеют угольные микро­ фоны — до 50 мв/бар и более. Из рис. 5.8 видно, что звуковое давление, развиваемое человеком при разговоре, изменяется в пределах 0.1— 10 бар. Поэтому пр^ чувствительности 50 мв/бар

192

напряжение на выходе угольного микрофона будет равно 0,05-- 0,5б. Высокая чувствительность угольного микрофона определи­ ла его широкое применение в устройствах связи.

Однако угольный микрофон имеет и существенные недостат­ ки. Одним из таких недостатков является большая нелинейность амплитудной характеристики, выражающей зависимость разви­ ваемого микрофоном напряжения от величины давления. Эго видно' из рис. 5.19, на котором представлены типовые ампли­ тудные характеристики угольных микрофонов. В то время как

у других микрофонов коэффициент нелинейных искажений обыч­ но не превышает 1— 2 процентов, у угольных микрофонов при больших громкостях он достигает 30%. Это объясняется нели­ нейной зависимостью упругости порошка от силы его сжатия.

При больших амплитудах, т. е. в особенности при низких часто­ тах, диафрагма будет отставать от слоя порошка и колебаться частично независимо от него. При малых амплитудах из-за на: личия многих малых промежутков между зернами угольный микрофон работает существенно слабее или совсем не работает, т. е. имеется некоторый порог чувствительности (0,02—

0,03 бара), что также увеличивает коэффициент нелинейных ис­ кажений.

Кроме того, имеет значение склонность угольного порошка спекаться при сжатии, в особенности при чрезмерно высоком напряжении внешнего источника. Следует иметь в виду, что для увеличения напряжения, создаваемого' микрофоном, напряже­ ние внешнего источника должно быть достаточно большим. Од­

нако, ко.гда напряжение, приходящееся на один контакт между угольными зернами, будет превышать примерно 0,5«, под дей­ ствием возникшей электрической дуги порошок будет спекаться, в результате чего развиваемое микрофоном напряжение умень-'

шится. (рис. 5.20).

Вторым существенным недостатком угольного микрофона является наличие шумового фона, возникающего из-за неустой­ чивости контактов между угольными зернами и между зернами

и мембраной.

По указанным причинам угольные микрофоны применяются

применение в шумных помещениях, на самолете и т. п. Для по­ вышения шумозащищенности микрофонов прибегают к пониже­ нию их чувствительности на частотах ниже 300 гц, где уровеньспектра шумов часто бывает велик.

Некоторые микрофоны для повы­ шения шумозащищенности имеют заглушки, прикладываемые к ли­ цу говорящего (например, МД-33, МРУ-60), которые, однако, не полу­ чили широкого распространения изза негигиеничности.

1 9 4

дом соединена гибкая металлическая мембрана 4. Войлочное кольцо о служит для предотвращения высыпания угольного по­ рошка. Части ларингофона помещены в корпус 6, закрытый крышкой 7.

Ларингофон, состоящий обычно из пары описанных уст­ ройств, с помощью ремешка закрепляется на горле оператора. При разговоре вследствие колебаний гортани ларингофон так­ же будет колебаться. При механических колебаниях ларинго­ фона угольный порошок за счет инерционных свойств массы подвижного электрода и мембраны будет уплотняться или раз­

тельную скорость тканей гортани. Зависимость напряжения, раз­ виваемого ларингофоном,'от колебательной скорости представ­ ляет его амплитудную характеристику. На рис. 5.22 приведены амплитудные характеристики нескольких авиационных ларин­

гофонов. Они снимаются при определенной частоте колебаний, например при частоте 1000 гц. Колебательная скорость сооб­ щается ларингофону генератором механических колебаний (ГМК) и измеряется в см/сек. ■

Зависимости отдачи ларингофонов от частоты приведены на рис. 5.23. Эти характеристики снимаются при постоянной коле­ бательной скорости, для чего при увеличении частоты колебаний ГМК амплитуда колебаний уменьшается. Отношение выходно­

го напряжения ларингофона к колебательной скорости опреде­ ляет его чувствительность, а зависимость чувствительности от частоты — его частотную характеристику. Если выходное напря­ жение ларингофона равно 0,5— 1 в, а колебательная скорость 0,04 см!сек, тогда чувствительность равна 12,5—25 в ■сек/см. Отдача микрофона может быть увеличена путем повышения на­

пряжения источника пи­ тания. Однако при слиш­ ком высоком напряжении, как и в микрофоне, мо­ жет наступить спекание угольного порошка.

При практическом при­ менении ларингофона соз­ даваемое им напряжение будет зависеть от колеба­ тельной скорости гортани, которая, как это видно из рис. 5.24, с повышением частоты уменьшается. Это приводит к снижению уровня высокочастотных составляющих речи при

Рис. 5.23. Зависимость напряжения ларннгофо- работе С ларингофоном И нов от частоты (для пары ларингофонов): к ухудшению разборчи-

вости.

Достоинством ларингофонов является их более высокая шумозащищенность по сравнению с микрофонами, так как они ме­ нее подвержены действию

1 9 6

составляющих речевого спектра и колебательной скорости гор­

ларингофона и чем меньше площадь его внешней поверхности. Но увеличивать массу ларингофона более 30 г нецелесообразно, так как это приводит к заметному снижению скорости колебаний гортани. Площадь внешней поверхности также может умень­ шаться лишь до некоторых пор, обычно она не бывает менее 3 см2.

Следовательно, возможности повышения шумозащищенности ларингофона путем увеличения массы и уменьшения площади внешней поверхности ограничены. На практике с этой целью применяются ларингофонные заглушки, которые повышают шумозащищенность ларингофона на высоких частотах.

Угольные ларингофоны имеют сравнительно низкую шумо­ защищенность. Поэтому имеется тенденция их замены более шумостойкими электромагнитными ларингофонами.

Преобразователи электрической энергии в механическую энергию звуковых колебаний

Те л е фо н ы . В авиационных связных радиостанциях в ка­ честве преобразователей электрической энергии в механическую, преобразующих электрические колебания в звуковые, чаще все­

вается к постоянному магниту и будет иметь выгнутую в сторо­ ну магнита форму. При поступлении в обмотку тока звуковой частоты создается переменный магнитный поток. В те полупермоды, когда переменный поток совпадает по направлению с потоком постоянного магнита, сила притяжения возрастает, прогиб мембраны увеличивается. В те полупериоды, когда пере­ менный поток направлен навстречу постоянному потоку, сила притяжения и прогиб мембраны уменьшаются. Это означает, что мембрана будет совершать двусторонние колебания с частотой подводимого тока.

При поступлении в обмотку тока звуковой частоты измене­ ние магнитного потока и колебания мембраны имели бы место

197

два односторонних колебания. Это приведет к удвоению часто­ ты и к искажению полезного сигнала. При наличии достаточно сильного постоянного магнита указанного явления не возникает, так как частоты колебаний мембраны и подводимого тока сов­

падают.

Возможность увеличения силы магнита ограничивается на­ сыщением магнитной системы, при этом переменный ток не бу­ дет вызывать перемещения мембраны. Во избежание этого об­ мотка электромагнита одевается не непосредственно на полюсы постоянного магнита, а на полюсные надставки, изготовленные из специального материала, например, пермалоя—сплава никеля с железом. При правильном подборе площади полюсных надста­ вок достигается их нормальная насыщенность.

Рассмотрим основные характеристики телефонов. Одной из

этом под чувствительностью понимается отношение, звукового давления, создаваемого в камере искусственного уха, к напря­ жению на зажимах телефона. Чувствительность телефона из­ меряется в единицах бар,/вольт:

Ет= pjU бар/в.

Часто эффект на выходе телефона характеризуют величиной развиваемого им звукового давления, называемого отдачей те-, лефона. При определении отдачи телефон соединяется с актив­ ным сопротивлением нагрузки (эквивалент внутреннего сопро­ тивления генератора), равным модулю сопротивления телефо­

£/=2j/|Z1000|-10- 3 в.

Сопротивления телефонов могут быть различными. Телефо­ ны с различными сопротивлениями можно считать эквивалент­ ными, если при равных подводимых к телефонам электрических мощностях в одинаковых условиях они развивают одинаковые звуковые давления. Используя определение чувствительности телефона и равенство подводимых мощностей

Отсюда следует, что более высокой чувствительностью обла­ дают низкоомные телефоны. Из сказанного, конечно, не выте­

198

кает какого-то преимущества низкоомных телефонов, так как эффективность обоих телефонов как преобразователей одина­ кова. Это означает только, что по величине чувствительности нельзя сравнивать эффективность телефонов с различными со­ противлениями.

Для этой цели используется понятие приведенной чувстви­ тельности. Под этим понимают чувствительность, которую имел бы данный телефон, если бы модуль его сопротивления был равен 600 ом:

Таким образом, сопротивления сравниваемых телефонов при­ водятся к 600 омам, после чего эти телефоны сравнивают меж­ ду собой.

Рис. 5.26. Зависимость модуля сопротивле­ ния телефонов от частоты:

Величины сопротивлений телефонов постоянному току обыч­

Величина модуля полного сопротивления зависит от часто­ ты и может быть найдена по кривым, приведенным на рис. 5.26.

/ 1 9 9