Лекция 23

Электроакустические преобразователи

К основным характеристикам и параметрам микрофонов, определяющим их качество, относятся следующие:

1) чувствительность — отношение напряжения на выходе микрофона к воздействующему на него звуковому давлению;

2) динамический диапазон — разность между уровнями предельного звукового давления и собственных шумов;

3) рабочий частотный диапазон;

4) частотная характеристика (ЧХ);

5) характеристика направленности — зависимость чувствительности микрофона от угла между его акустической осью и направлением на источник звука.

Важными параметрами микрофона являются также уровень собственных шумов и выходное сопротивление. Очевидно, хороший микрофон должен быть малошумящим. Выходное сопротивление микрофона должно соответствовать входному сопротивлению аппаратуры, к которой он подключен.

Вообще говоря, без учета условий применения при решении конкретных задач нельзя утверждать, что микрофон с теми или иными характеристиками хуже или лучше. Не для всех параметров также справедливо утверждение: «Чем значение выше, тем лучше».

Например, микрофон с высокой чувствительностью хорош в подслушивающем устройстве для записи звука с большого расстояния. Но тот же микрофон малопригоден в руке солиста, поющего в сопровождении оркестра, т. к. он будет воспринимать не только голос певца, но и искаженные при распространении звуки музыкальных инструментов. Для правильной передачи звучания басовых музыкальных инструментов не обязательно использовать микрофон с высокой верхней граничной рабочей частотой. Хотя, чем шире рабочий диапазон частот (чем меньше нижняя и больше верхняя граничные частоты), тем универсальнее микрофон.

Угольный микрофон

Основным прибором телефонной связи, преобразующим звуковые колебания в электрические сигналы, является уголь­ный микрофон (Мк). Он представляет собой капсюль 1, на­полненный угольным порошком 2 (рис. 1). В порошок вве­дены подвижный 3 и неподвижный 4 электроды, с помощью которых микрофон включается в электрическую цепь. Под­вижный электрод соединен с мембраной 5, приводимой в дви­жение под влиянием оказываемого на нее звукового давления.

Перемещение подвижного электрода вместе с мембраной про­исходит на величину, пропорциональную мгновенному значе­нию звукового давления и вызывает изменение плотно­сти угольного порошка, а следовательно, его сопро­тивление. В результате это­го изменяется ток, протекаю­щий от источника Е₀ через микрофон, т. е. в цепи микро­фона появляется переменная составляющая тока, пропор­циональная переменной со­ставляющей звукового дав­ления, и ЭДС источника Е₀.

Следовательно, угольный микрофон выполняет две функ­ции. Во-первых, он преобразует звуковые сигналы в электри­ческие. Во-вторых, электрические сигналы возникают в резуль­тате преобразования энергии источника постоянного тока Е₀. Этот процесс сопровождается усилением сигналов.

В состоянии покоя через микрофон протекает постоянный ток и под его действием образуются контактные мостики с по­ниженным сопротивлением. Наличие этих мостиков определяет величину статического сопротивления К_c, которая зависит так­же от положения микрофона и величины тока или напряжения питания. При воздействии звуковых колебаний контактные мо­стики разрушаются и среднее динамическое сопротивление R_дин возрастает по сравнению со статическим (рис. 2).

Приведем количественное описание процессов в угольном микрофоне.

Величина переменной составляющей сопротивления с ам­плитудой R_m обусловлена переменной составляющей гармони­ческого звукового колебания P_mcosωt.

Полное сопротивление угольного микрофона в динамическом режиме изменяется при этом по закону

Используя выражение (1.7) и эквивалентную схему (рис.3), можно определить ток, протекающий по сопротив­лению нагрузки R_н:

Введя в выражение (1.8) обозначение R_дин + R_н = R₀, полу­чим

Отношение R_m/R₀ называют коэффициентом модуляции и обозначают через т. Используя это обозначение и применив к выражению (1.9) разложение в биноминальный ряд, не­трудно получить.

Поскольку , то формула (1.10)

преобразуется к виду

В выражении тока микрофона (1.11) помимо постоянной составляющей и основной гармоники звукового сигнала со­держатся вторая и более высокие гармонические составляю­щие, наличие которых свидетельствует о нелинейных искаже­ниях сигнала.

Если ограничиться рассмотрением амплитуд первой и вто­рой гармоник тока микрофона в формуле (1.11), то величину коэффициента нелинейных искажений можно оценить как

Для того, чтобы нелинейные искажения не вызывали чрез­мерного ухудшения разборчивости речи, коэффициент гармо­ник низкочастотного тракта диспетчерской связи не должен превышать 0,1—0,15. Следовательно, коэффициент модуляции m согласно соотношению (1.12) может достигать наибольших значений 0,2—0,3.

Мощность гармонического сигнала, развиваемая микрофо­ном в нагрузке, определяется по первой гармонике тока:

где , как это следует из выражения (1.11).

С учетом ранее принятых обозначений равенство (1.13) приводится к виду

Поскольку увеличивать мощность за счет роста коэффи­циента модуляции нежелательно из-за ограничений по уровню нелинейных искажений, то следует выяснить влияние осталь­ных величин, входящих в выражение (1.14). Увеличение на­пряжения питания должно вести к увеличению мощности си­гнала. Однако это привело бы к росту тока микрофона и уве­личению мощности, рассеиваемой на сопротивление угольного порошка. Тепловые процессы вызывают спекание угольных зе­рен. Сначала это проявляется на уменьшении переменной со­ставляющей тока микрофона и снижении мощности сигнала. По мере развития процесса возникают необратимые измене­ния параметров микрофона.

Изменение сопротивления нагрузки R_н оказывает влияние на величину мощности сигнала. Причем она падает до нуля при R_н=0 и R_н=∞. Из этого следует, что P_~ принимает максимальное значение при некоторой величине R_н.opt. Исполь­зуя известное правило отыскания оптимума

(P_~)_Ra =

получим

R_н.opt=R_дин (1.15)

что соответствует режиму согласования.

Максимальная мощность, выделяемая в согласованной нагрузке, как вытекает из выражения (1.14) и (1.15), составляет:

P_~max = (1.16)

Ток питания микрофона, определяемый из выражения (1.11) соотношением

E₀/R₀, представляет собой параметр, за­висящий от типа и сопротивления микрофона. В микротеле­фонных трубках аппаратов телефонной и громкоговорящей связи применяются микрофонные капсюли типа МК-14 и МК-16 (рис.4). Они разделяются по сопротивлению на три группы, указанные в табл. 1.2, и должны питаться соответ­ственно указанными в ней токами.

Таблица 1.2

Тип капсюля	Сопротив­ление, Ом	Ток пита­ния, мА	Область применения
Низкоомный....	30-65	20-80	На коротких линиях в системе с низковольтным питанием
Среднеомный . . .	60-145	25-60	На линиях средней про­тяженности
Высокоомный . . .	145—300	12-25	На длинных линиях

Используя эти данные, нетрудно определить но формуле (1.16) мощность сигнала, выделяемую в оптимальной нагруз­ке. Например, в случае высокоомного микрофона (R_дин ≈ 200 Ом) при напряжении питания Е₀ = 12В и коэффи­циенте модуляции m = 0,2, который соответствует нормальной громкости голоса, она составляет:

P_~max = =

Подведенная к микрофону мощность звуковых волн при нормальном разговоре, как указывалось в п. 1.3, имеет поря­док 5 мкВт. Следовательно, угольный микрофон, преобразуя звуковые сигналы в электрические, одновременно создает их усиление по мощности в 720 раз или на 28,6 дБ. Для нормаль­ной связи важно, чтобы затухание, вносимое остальными эле­ментами разговорного тракта, не превышало этой величины. Иначе потребуется включить в тракт дополнительно электрон­ный усилитель.