лекции_элаизв

Характеристики направленности микрофона-приемника градиента звуковoгo давления Комбинированные микрофоны характеризуются односторонней, в том

числе острой, направленностью (рис.) При последовательном соединении нагрузок микрофонов результирующая чувствительность приемника равна Ед+ЕгрСОSϴ ,

В общем виде характеристика направленности

R (ϴ) = I+cosϴ, если Ед =Егр .

При Ед ≠Егр можно получить диаграммы направленности различной формы: круговую, двунаправленную косинусоидальную, кардиоиду, суперкардиоиду, гиперкардиоиду.

Электродинамический катушечный микрофон

В кольцевом зазоре 1 магнитной системы, имеющей постоянный магнит 2, находится подвижная катушка 3, скрепленная с диафрагмой 4. При воздействии на диафрагму звукового давления она вместе с подвижной катушкой начинает колебаться с колебательной скоростью v в направлении оси микрофона, в ней индуцируется электродвижущая сила ɛ = Blv.

Электродинамический микрофон стабилен, имеет довольно широкий частотный диапазон, сравнительно небольшую неравномерность частотной характеристики.

Электрический аналог колебательной системы микрофона Колебательная система подвижной части в виде диафрагмы с катушкой mм , гибкости гофрированного подвеса См и механического сопротивления Rм (трения воздуха при движении катушки в зазоре), образует механический резонанс в области низких частот . Электрическим аналогом этой механической колебательной системы с соединением элементов m1, С1, Rм1 в

11

узел является последовательный колебательный контур. Основная колебательная механическая система дополняется акустическим резонатором. В керне просверливают каналы, соединяющие колебательную систему с внутренним воздушным объемом магнитной системы. Это соответствует акустическому резонатору.

Электродинамические микрофоны - приемники градиента звуковoгo давления - позади входного колебательного элемента в магнитопроводе и корпусе имеет отверстия для доступа звуковых волн к внутренней стороне диафрагмы (с необходимым фазовым сдвигом).

Катушечные электродинамические микрофоны обладают хорошей чувствительностью, например, у микрофона МД-52 Е = 0,63 мВ/Па; его номинальный диапазон частот

ΔF = 50... 15000 Гц; неравномерность частотной характеристики 12 дБ.

Ленточный электродинамический микрофон

Магнитная система микрофона состоит из постоянного магнита 1 и полюсных наконечников 2, между которыми натянута легкая, обычно алюминиевая, тонкая (порядка 2 мкм) ленточка 3, в виде гармошки. При воздействии на обе ее стороны звукового давления возникает сила, под действием которой ленточка начинает колебаться, пересекая магнитные силовые линии с наведением в ней ЭДС.

Для повышения напряжения, развиваемого на концах ленточки используется повышающий трансформатор. Частотный диапазон этого микрофона довольно широк, а неравномерность частотной характеристики невелика.

Для электродинамических громкоговорителей коэффициент электромеханической связи KCB = Bl.

Конденсаторный микрофон

Жесткая мембрана 1 под воздействием звукового давления колеблется относительно неподвижного электрода 3, являясь обкладками электрического конденсатора. Конденсатор включается в электрическую цепь

12

последовательно с источником постоянного поляризующего напряжения U и активным нагрузочным сопротивлением R.

При колебаниях мембраны емкость конденсатора меняется с частотой изменения звукового давления, в электрической цепи появляется переменный ток той же частоты. Выходное сопротивление микрофона очень велико, поэтому в конструкции обязателен согласующий усилитель с высоким входным и низким выходным сопротивления. Конденсаторные микрофоны имеют самые высокие качественные показатели: широкий частотный диапазон, малую неравномерность частотной характеристики.

Комбиниpованный конденсаторный микрофон

Комбинированный конденсаторный микрофон состоит из двух приемников градиента звукового давления, объединенных в одном узле. В этом случае базовый электрод 1 располагается между двумя диафрагмами 2 и 3. Между базой и каждой из пластин создают разность потенциалов с помощью постоянного напряжения U - внешнего источника. Такая комбинация представляет собой совокупность двух взаимосвязанных конденсаторных микрофонов градиентного приема с различными характеристиками направленности, зависящими от степени симметрии действия. Таким образом можно получить различные виды направленности: круговую, косинусоидальную двустороннюю, кардиоидную.

Электретные конденсаторные микрофоны

Электретные конденсаторные микрофоны (МКЭ) по своему устройству не отличаются от обычных конденсаторных, только в них мембраны выполняются из материалов, обладающих электретным свойством: сохранять поляризацию в течение длительногo времени. Такое свойство создается предварительной термической обработкой полимерных пленок в электрическом поле с высоким градиентом напряжения. Мембраны, изготовленные из подобных пленок, мoгут обеспечить достаточные для работы микрофонов постоянные напряжения, сохраняемые в течение многих лет.

В результате отпадает необходимость в дополнительном источнике постоянного напряжения и подводе питания.

13

Частотная характеристика электретного микрофона Основными достоинствами конденсаторных микрофонов и

электретных являются хорошая переходная характеристика с малой длительностью установления напряжения (менее10 мкс ), гладкая частотная xapaктеристика в широком диапазоне частот, высокая чувствительность, линейность, хорошие массогабаритные показатели. Например, микрофон МК-13, предназначенный для музыкальных передач,

имеет чувствительность Е = 8 мВ/Па, номинальный диапазон частот 50.. .15 000 Гц с неравномерностью 6 дБ, при массе 260 г.

ГРОМКОГОВОРИТЕЛЬ.

Громкоговорителями называют пассивные электроакустические преобразователи, предназначенные для излучения звука в окружающее пространство. Громкоговоритель представляет собой совокупность двух независимых уз­лов - головки и акустического оформления. Головка громкоговорителя – это преобразователь сигналов из электрической формы в акустическую. Акустическое оформление обеспечивает эффективное излучение звука в пространстве с помощью различного вида акустических экранов, ящиков, рупоров.

Основные параметры громкоговорителя:

Характеристика направленности — зависимость звукового давления, развиваемого громкоговорителем на частоте F в точке свободного поля, находящейся на определенном расстоянии от рабочего центра, от угла между рабочей осью громкоговорителя и направлением на указанную точку.

Частотная характеристика звукового давления - зависимость от частоты звукового давления, развиваемого громкоговорителем в точке свободного поля, находящейся на определенном расстоянии от рабочего центра излучателя, при постоянном напряжении на зажимах громкоговорителя.

Номинальная мощность — мощность электрического сигнала, подводимого к громкоговорителю, ограничиваемая нелинейными искажениями.

Характеристическая чувствительность — отношение среднего звукового давления, создаваемого громкоговорителем в номинальном диапазоне частот на расстоянии 1 м от рабочего центра на рабочей оси, к корню квадратному от подводимой мощности.

14

Конструкция диффузорного (электродинамического) громкоговорителя

Электродинамическая головка громкоговорителя состоит из магнитной системы кольцеобразного постоянного магнита 1, круглого стального керна 2, нижнего 3 и верхнего 4 стальных фланцев, воздушного зазора 5. В нем сконцентрировано радиальное постоянное магнитное поле. В зазоре располагается катушка индуктивности 6 (каркасная или бескаркасная) с небольшим числом витков, скрепленая с центрирующей гибкой шайбой 7, пылезащитным колпачком 8 и диффузором 9. Диффузор имеет достаточную жесткость при малой массе. Обычно ему придают форму усеченного конуса, иногда с изогнутым (выпуклым) профилем. Диффузор по окруж­ности крепится через гибкий «воротник» 10 к кольцу 11 держа­теля 12.

Принцип работы диффузорного громкоговорителя.

При взаимодействии магнитной индукции В в зазоре магнитной цепи с током сигнала I, протекающего через катушку, возникает сила F=BℓI, которая вызовет колебательное движение подвижной системы в направлении рабочей оси.

Здесь Bℓ=F/I=Ксв - коэффициент электромеханической связи электродинамического преобразователя, l - длина провода звуковой катушки.

Колебания диффузора передаются частицам среды, прилегающим к поверхности диффузора, а те воздействуют на смежные с ними частицы, образуя акустические волны. Энергия колебательного процесса подвижной системы расходуется частично на преодоление механического сопротивления - трения воздуха в магнитном зазоре, ведущего к нагреву катушки, а частично на преодоление сопротивления колебаниям со стороны среды.

Построение электрической схемы громкоговорителя.

Входное сопротивление колебательной системы головки громкоговорителя можно представить в виде собственно электрическо­го сопротивления катушки и сопротивления, вносимого элементами механической колебательной цепи, в данном случае включенными последовательно. На основании метода электромеханических аналогий они представляются в виде параллельного включения соответствующих электрических элементов, приведенных к входной цепи через коэффициент электромеханической связи.

15

Электрическая схема и частотная характеристика громкоговорителя

Полное сопротивление головки громкоговорителя

Zвх=Zэл+Zвн,

где Zэл=Rк+jωLк ; Zвн=B2l2/Zм,

причем Zм=Zм0+Zизл. Здесь Zм0=Rм+jωm0+1/(jωCм) —собственное механическое сопротивление подвижной системы, a Zизл=Rизл+jωmR — сопротивление излучения, где m0 — масса подвижной системы; См — гибкость; mR — соколеблющаяся масса воздуха; Rм — сопротивление трения гофрированного воротника и центрирующей шайбы, Rк и Lк — сопротивление и индуктивность звуковой катушки.

Комплексное сопротивление излучения состоит из двух компонент Zизл==Rизл+jХ изл . Из них действительное излучение в пространство образуется посредством отдачи энергии активной составляющей Rизл. Излучаемые колебания распространяются в виде плоской волны в направлении рабочей оси. Компонента jХизл вызвана наличием расходящихся волн, для которых характерно убывание амплитуды колебательной скорости с расстоянием. Тут в процессе упругого соударения частиц возникают реактивные силы отталкивания частиц в направлении, обратном распространению.

При этом вблизи диффузора возникает определенный запас энергии, выражающийся в инерционном «соколебании» дополнительной массы среды в смежных с поверхностью диффузора объемах.

Чтобы частотная характеристика громкоговорителя в пределах звукового диапазона была горизонтальной, требуется чтобы eгo сопротивление излучения Rизл и входное сопротивление Zвx были бы частотно-независимыми. Но реальная форма диффузоров сложна и бывает различной по своим параметрам.

Поэтому вычисление комплексного сопротивления Zизл и соотношения eгo компонент Rизл и jХ изл представляет трудности. Для идеализированного рассмотрения их зависимости прибегают к аналогии между излучательными свойствами диффузора и поршневого излучателя.

16

Акустическое оформление громкоговорителя Теоретически диффузор (в области НЧ) рассматривается как круглый

поршень. Поршень колеблется либо в открытом пространстве (рис. а), либо в отверстии плоского бесконечного акустического экрана (рис. 6), в корпусе с открытом (рис. в) или с закрытой (рис. г) задней стороной.

Для оценки соотношений между активным сопротивлением излучения Rизл и реактивной компонентой jХ изл вычислены безразмерные коэффициенты соответственно КIИ3Л и К2ИЗЛ. В зависимости от относительного размера головки, в том числе с учетом их работы в открытом пространстве при использовании некоторых видов акустического оформления

Акустическое оформление во многом определяет эффективность работы поршня. В его отсутствие (см. рис. а) при больших длинах волн (НЧ), происходит акустическое короткое замыкание. При наличии акустического экрана эффективность излучения НЧ колебаний выше (см. рис. 6).

Открытый ящик (рис. в), можно рассматривать как сложенный экран. Закрытый ящик (рис.г), исключает мешающее действие тыловой волны, но повышает резонансную частоту механической системы излучателя. Объем воздуха внутри ящика сжимается при движении поршня внутрь, уменьшая его гибкость.

Снижение эффективности громкоговорителя в НЧ компенсируют путем настройки в резонанс в этой области подвижных элементов головок. Резонансную частоту ω0=1/√(Cмm) стараются выбрать, особенно для низкочастотных головок, предельно низкой за счет создания возможной гибкой подвески диффузора. А внутренний объем закрытого ящика используется как элемент гибкости.

Резонансную частоту

стараются выбрать, особенно для низкочастотных гoловок, предельно низкой за счет создания возможной гибкой подвески диффузора при ограниченной массе подвижной части, вносящей элемент инерционности.

В области средних частот стараются, чтобы в совокупности с частотными зависимостями Rизл, Zм0, Zвx можно было получить горизонтальную форму частотной характеристики громкоговорителя по звуковому давлению.

Практически эту задачу стараются решить в комплексе с резонансными явлениями элементов акустического оформления.

Создаются специальные «компрессионные» головки с очень гибкой подвеской, рассчитанные на работу совместно с акустическим оформлением (закрытый ящик), его внутренний объем используется как элемент гибкости.

На участке выше 1,5 кГц проявляются поверхностные колебания диффузора. Здесь недостаточная жесткость материала диффузоров способствует возникновению в радиальных направлениях прямых и обратных волны, создающих фазовые сдвиги при излучении. В результате появляются неровности в частотных характеристиках, уменьшается эффективная площадь диффузоров. Одним из методов улучшения однородности излучения - укрепление в центре диффузора дополнительного коаксиального усеченного конуса из жесткого картона. На низких и средних частотах звукового диапазона оба конуса колеблются как одно целое. На верхних частотах эффективно работает внутренний легкий жесткий конус, а большой конус колеблется с малыми амплитудами.

Для получения нужных частотных характеристик используют комплектацию громкоговорителей несколькими головками, для воспроизведения определенных частотных зон вceгo диапазона.

С учетом интерференции громкоговоритель одностороннего действия (головка с экраном и головка в закрытом ящике) на низких частотах будет обладать ненаправленной характеристикой. Характеристика направленности в этом случае представляет собой полуокружность (кривая 1). На более высоких частотах, когда фазовый сдвиг становится сравнимым с периодом колебаний, характеристика направленности вытягивается в направлении рабочей оси громкоговорителя (кривая 2,3).

Характеристики направленности громкоговорителей при πD/λ,

равном 0, 25 (1), 2,5 (2), 5 (3)

Фазоинвертор.

18

В области высоких частот характеристика направленности приобретает вид кардиоиды с дополнительными боковыми лепестками, образующимися из-за взаимной интерференции между волнами, излучаемыми с большими фазовыми сдвигами разными точками поверхности диффузора. Для снижения интерференционных явлений и повышения эффективности использования энергии, излучаемой оборотной стороной диффузора, особенно в области нижних частот, иногда используют акустическое оформление в виде фазоинвертора - закрытого ящика с дополнительным отверстием на лицевой панели.

Энергия звуковых колебаний, концентрирующаяся во внутреннем объеме ящика, через отверстие передается в сторону прямoгo излучения, и при надлежащей eгo длине фаза звуковых колебаний изменяется на обратную. Таким образом достигается возможность синфазного сложения прямого и обратного излучений между собой.

Для снижения интерференционных явлений и повышения эффективности использования энергии, излучаемой оборотной стороной диффузора, особенно в области нижних частот, иногда используют акустическое оформление в виде фазоинвертора - закрытого ящика с дополнительным отверстием на лицевой панели.

Энергия звуковых колебаний, концентрирующаяся во внутреннем объеме ящика, через отверстие передается в сторону прямoгo излучения, и при надлежащей eгo длине фаза звуковых колебаний изменяется на обратную. Таким образом достигается возможность синфазного сложения прямого и обратного излучений между собой.

Акустический фазоинвертор

Частотная характеристика громкоговорителя в ящике с фазоинвертором(1) и в ящике (2)

Недостатки диффузорных громкоговорителей

Главным недостатком диффузорных громкоговорителей является низкий коэффициент полезного действия около 3...5 %.

19

Это объясняется недостаточной согласованностью между собой механического сопротивления подвижной системы и акустической нагрузки среды, а также недостаточно высокой эффективностью электродинамического преобразования.

Значительными мoгут быть и нелинейные искажения, обусловленные несовершенством систем подвески диффузора и неоднородностью индукции в магнитном зазоре катушки. При колебательных смещениях катушки, достигающих в области низких частот нескольких миллиметров, возникает неоднородность воздействия кpaeвoгo эффекта магнитного поля в зазоре на катушку, совершающую там колебания. Для снижения этого эффекта стремятся делать катушку короче высоты зазора, чтобы при движении она не попадала в зону крaeвoгo поля, или, наоборот, намногo длиннее, чтобы при ее движении охватывалась лишь часть витков с усредненным магнитным потоком.

Акустические системы

Акустические системы (АС) представляют собой совокупность специально подобранных, в основном, по частотным свойствам электродинамических головок громкоговорителей диффузорного типа, заключенных в общий корпус (с определенными акустическими параметрами. Каждая из головок охватывает определенную зону звукового диапазона; напряжение питания подается на головки (или их группы) через разделительные электрические фильтры, установленные в корпусе АС. Чаще вceгo весь диапазон подразделяется на низко-, средне и высокочастотный поддиапазоны.

При комплектации акустических систем узкодиапазонными специализированными головками требуется согласование между полосой частот, которую они охватывают, и полосой частот электрических сигналов, которые следует подавать на каждую головку системы во избежание появления существенных искажений.

Громкоговорители звукофикации

Существуют специальные громкоговорители, предназначенные для звукофикации помещений и открытых пространств.

Из специальных громкоговорителей, предназначенных для этих целей, следует рассмотреть звуковые колонки, рупорные

громкоговорители и радиальные акустические системы -акустические люстры. Все они строятся на базе электродинамических головок, но отличаются акустическим оформлением.

Звуковые колонки предназначены в основном для озвучения закрытых помещений и объединяют в одном корпусе несколько (три - шесть) однотипных головок громкоговорителей, но для речевых передач с более

узкой полосой воспроизводимых частот (ΔF 125 ...7100 Гц, ), чем для музыкальных программ (ΔF 63 … 16000 Гц. ).

20