Физические преобразователи 153
•Линейность. Характеризует равномерность изменения выходного сигнала в зависимости от изменения входного.
•Инертность, или время отклика, которое равно времени установления выходного сигнала в ответ на изменение входного сигнала.
•Полоса частот. Эта характеристика показывает, на каких частотах воздействия на входе еще воспринимаются преобразователем, создавая на выходе еще допустимый уровень сигнала.
По физической природе преобразователи делятся на многочисленные группы, среди которых следует отметить фотоэлектрические, термоэлектрические, пьезоэлектрические, электромагнитные и акустоэлектрические преобразователи, широко использующиеся в современных системах связи, управления и обработки информации (рис. 6.12).
Рис. 6.12. Группы первичных преобразователей
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 рис. 6.13. Наиболее чувствительными к акустическим воздействиям элементами радиоэлектронной аппаратуры являются катушки индуктивности и конденсаторы переменной емкости.
Рис. 6.13. Виды акустоэлектрических преобразователей
Индуктивные преобразователи
Если в поле постоянного магнита поместить катушку индуктивности (рамку) и привести ее во вращение с помощью, например, воздушного потока (рис. 6.14), то на ее выходе появится ЭДС индукции.
154 Глава 6. Классификация акустических каналов утечки информации
Рис. 6.14. 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 (рис. 6.15). Механизм и условия возникновения ЭДС индукции в такой катушке сводятся к следующему.
Рис. 6.15. 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:
|
d |
|
d |
|
μс(t) |
|
E = |
|
(Nфс + Nфв) = |
|
B0 Sс(t)μ0(t)cosϕс(t) + S0(t) cosϕ0(t) , |
||
dt |
dt |
|||||
где Nфс — магнитный поток, замыкающийся через сердечник; Nфв — магнитный поток, замыкающийся через обмотки по воздуху; B0 — вектор магнитной индукции; μс(t)
— магнитная проницаемость сердечника; μ0(t) — магнитная постоянная; ϕс(t) — угол между вектором B0 и осью сердечника; ϕ0(t) — угол между вектором B0 и осью катушки; Sс — площадь поперечного сечения сердечника; S0 — площадь поперечного сечения катушки.
Физические преобразователи 155
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), элек- 
трорадиоизмерительные приборы. Примером непосредственного использования
этого эффекта для цепей акустического преобразования является электродинамический микрофон (рис. 6.16). ЭДС на выходе катушки опреде-
ляется по формуле: |
|
Рис. 6.16. Возникновение ЭДС в |
|
dI |
|
S |
электродинамическом микрофоне |
E = –L dt |
, L = k 4πμ0 N2 |
I |
, |
где L — индуктивность; k — коэффициент, зависящий от соотношения; I — длина намотки катушки; d — диаметр катушки; μ0 — магнитная проницаемость; S — площадь поперечного сечения катушки; N — количество витков катушки.
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 (рис. 6.17) может быть определена по формуле:
Eмэ = ηP,
где η— акустическая чувствительность звонка, P — акустическое давление.
ηVSμ0NSм
=d2Zм ,
где V — магнитодвижущая сила постоянного магнита; S — площадь якоря (пластины); μ0 — магнитная проницаемость сердечника; N — количество витков катушки; Sм — площадь полосного наконечника; d — величина зазора; Zм — 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.
156 Глава 6. Классификация акустических каналов утечки информации
Акустические колебания воздействуют на якорь реле (рис. 6.18). Колебания якоря изменяют магнитный поток реле, замыкающийся по воздуху, что приводит к появлению на выходе катушки реле ЭДС микрофонного эффекта.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 6.17. Схема возникновения ЭДС |
Рис. 6.18. Схема возникновения |
|
||||||||||||||||||
на вызывном звонке |
|
|
|
ЭДС на реле |
|
|||||||||||||||
Микрофонный эффект громкоговорителей
Динамические головки прямого излучения, устанавливаемые в абонентских громкоговорителях, имеют достаточно высокую чувствительность к акустическому воздействию (2–3 мВ/Па) и сравнительно равномерную в речевом диапазоне частот амплитудночастотную характеристику, что обеспечивает высокую разборчивость речевых сигналов.
BIS Eмэ = ηP, η= Zм ,
где η— акустическая чувствительность звонка, I — длина проводника, движущегося в магнитном поле с индукцией B; B — магнитная индукция; S — площадь поверхности, подверженной влиянию давления акустического поля; Zм — механическое сопротивление.
Рис. 6.19. Схема возникновения ЭДС на громкоговорителе
Известно, что абонентские громкоговорители бывают одно- и многопрограммными. В частности, территории бывшего СССР достаточно широко распространены трехпрограммные громкоговорители.
Трехпрограммные абонентские громкоговорители, в соответствии с ГОСТ 18286-88 (“Приемники трехпрограммные проводного вещания. Общие технические условия”),