Электродинамический микрофон

Широкое применение в аппаратах ГГС наводят электро­динамические микрофоны с подвижной катушкой, которая прикрепляется к магнитной системе гофрированным эластич­ным воротником (рис.5). Микрофон состоит из цилиндри­ческого постоянного магнита 5, керна 6, кольцевого верхнего 1 и дискового нижнего 4 фланцев, выполняющих роль магни­топровода. В кольцевом зазоре между керном и верхним фланцем под действием постоянного магнита образуется радиально ориентированное магнитное поле, в котором помещается катушка 5, укрепленная на диафрагме 4. Витки катушки пересекаются магнитными силовыми ли­ниями потока Ф.

Диафрагма изготавливается из легкого и тонкого материа­ла (например, алюминиевой фольги) и имеет выпуклую фор­му, придающую ей прочность. Под действием звуковых коле­баний она перемещается пропорционально звуковому давле­нию. При движении катушки в ней наводится ЭДС, опреде­ляемая согласно закону электромагнитной индукции как

e = (1.17)

где n — число витков катушки;

dФ/dt — скорость изменения потока в катушке, вызванная ее перемещением.

Выражение (1.17) можно представить иначе:

e = (1.18)

Если распределение потока по высоте зазора равномерное, то dФ/dx = А₀ — постоянная величина, a dx/dt = v — скорость перемещения катушки.

При гармоническом характере звукового колебания катуш­ка перемещается по закону

x = L_m cosωt (1.19)

Подставляя выражение (1.19) в уравнение (1.18), получим

e = nA₀L_mω sinωt.

Амплитуда ЭДС, развиваемой микрофоном, прямо пропор­циональна амплитуде и частоте колебания катушки или воз­действующих на мембрану звуковых волн. Таким образом, частотная характеристика электродинамического микрофона должна иметь подъем в области верхних частот. Однако ее удается выравнить путем уменьшения амплитуды колебаний катушки с ростом частоты. Это достигается конструктивными мерами.

Электродинамические микрофоны обладают на порядок меньшими нелинейными искажениями по сравнению с уголь­ными микрофонами, широкой полосой воспроизводимых зву­ковых частот (10²—10⁴ Гц), высокой надежностью эксплуата­ции, устойчивостью к сотрясениям, изменениям температуры среды и влажности воздуха. В аппаратах ГГС используются микрофоны типов МД-45, МД-66А и др.

Электродинамический микрофон не нуждается в источнике питания для преобразования акустических сигналов в элек­трические. Однако, преобразуя один вид энергии в другой, он не создает усиления по мощности, как угольный микрофон. Поэтому электродинамический микрофон должен работать с электронным усилителем. Напряжение сигнала, развиваемое этим микрофоном на согласованной нагрузке, составляет око­ло 1 мВ. Внутреннее сопротивление микрофона порядка 200 Ом позволяет легко согласовать его с кабелем, который используется для подвода сигналов к усилителю.

Электродинамические микрофоны обладают обратными свойствами и могут выполнять функции звукопроизводящих устройств.

1.2.3. Электромагнитный микрофон

Отличительной особенностью электромагнитных микрофо­нов является то, что катушки закреплены в них неподвижно, а ЭДС индуктируется под влиянием изменяющегося магнит­ного потока. Принцип действия такого устройства можно по­яснить на примере микрофона типа ДЭМШ-1 (рис.6) с дифференциальной электромагнитной системой, обеспечиваю­щей повышенную шумостойкость. Микрофон содержит два кольцевых магнита 1, между ко­торыми помещена диафрагма 2, изготавливаемая из магнитомягкого материала. Магнитный поток Ф проходит через по­люсные наконечники 3 и диафрагму. На наконечники надеты две катушки 5, соединенные последовательно. Под действием звуковых волн диафрагма совершает коле­бательные движения, в процессе которых изменяются зазоры между ней и полюсными наконечниками

. Это приводит к изме­нению сопротивления магнитной цепи. При гармоническом ко­лебании диафрагмы сопротивление магнитной цепи содержит постоянную величину R₀ и переменную, составляющую с ам­плитудой R_m

r_Мк = R₀+R_m cosωt (1.20)

Используя аналогию закона Ома для цепи, в которой ис­точник ЭДС представлен магнитодвижущей силой (МДС) М₀, ток — магнитным потоком Ф, а сопротивление определено в соответствии с выражением (1.20), получим

Ф = (1.21)

Выражение (1.21) соответствует уравнению (1.9), преоб­разование которого дает аналогичный результат

Ф = (1.22)

где m = R_m/R₀ — коэффициент модуляции.

Из выражения (1.22) определяются:

Ф₁ = — первая гармоника магнитного потока;

Ф₂ = — вторая гармоника магнитного потока.

Согласно закону электромагнитной индукции (1.17) и катушках микрофона образуется ЭДС

• первой гармоники e₁ = (1.23)

• второй гармоники e₂ = (1.24)

В катушках микрофона индуктируется ЭДС противопо­ложной полярности. Это объясняется тем, что движение диа­фрагмы вверх (см. рис.6) увеличивает магнитный поток в верхней катушке и уменьшает в нижней. Однако их можно соединить так, чтобы направление токов в катушках совпа­дало по фазе.

Коэффициент нелинейных искажений при ограничении рас­смотрения второй гармоникой сигнала на основании выраже­ний (1.23), (1.24) составляет величину k_г = m.

Таким образом, электромагнитному микрофону присущи частотные и нелинейные искажения, вытекающие из принципа его работы. Прямо пропорциональная зависимость уровня си­гнала от частоты, представленная выражением (1.23), частич­но корректируется использованием механического резонанса диафрагмы в области частоты 1,5 кГц. Тем не менее частот­ная характеристика обладает значительной неравномерностью в рабочем диапазоне. Особенно плохо микрофон воспроизво­дит низкочастотные сигналы.

Во избежание чрезмерных нелинейных искажений микро­фон должен работать с малым коэффициентом модуляции m <0,1. Это приводит к понижению его чувствительности, т. е. получению низкого уровня напряжения на выходе микро­фона, как следует из выражения (1.23). Поэтому электромаг­нитный микрофон используется только в сочетании в усили­телем.

Однако ДЭМШ-1 обладает важными достоинствами. Он реагирует лишь на разность звуковых давлений по обеим сто­ронам диафрагмы и относится к микрофонам градиента дав­ления. Поэтому удаленные от микрофона источники звука, создающие практически одинаковые звуковые давления на обеих его поверхностях, не воспринимаются. Такие источники обычно являются мешающими к, следовательно, микрофон об­ладает повышенной устойчивостью к акустическим помехам. Кроме этого, он обладает ярко выраженным направленным действием. Независимо от удаленности звуки, приходящие к плоскости диафрагмы под углом 0°, образуют нулевую раз­ность давлений и также не воспринимаются. Когда же источ­ник звука располагается в непосредственной близости от ми­крофона (1—2 см) перпендикулярно поверхности диафрагмы, тогда разность давлений значительна, и на выходе микрофона появляется сигнал. Поэтому микрофоны типа ДЭМШ-1 и более поздней разработки ДЭМШ-4 находят применение в або­нентских авиационных гарнитурах типа АГ-2 и АГ-3. Они обеспечивают разборчивость не менее 94% передаваемых слов при интенсивности окружающего шума до 115 дБ.

Авиагарнитуры содержат помимо микрофона с усилителем пару головных телефонов. Они входят в комплект некоторых типов диспетчерских переговорных устройств (ДПУ) и под­ключаются к ним с помощью четырех проводного шнура с разъемом. Для питания транзисторного микрофонного усили­теля постоянным током используется пара проводов, по кото­рой передаются сигналы от этого усилителя.

Помимо шумостойкости, дифференциальные электромаг­нитные микрофоны имеют малые габариты и массу, высокую эксплуатационную надежность.

Электромагнитный микрофон обладает обратимыми свой­ствами и может использоваться в качестве телефона. В авиа­гарнитуре АГ-3 получил применение электромагнитный теле­фон с дифференциальной магнитной системой.