текст лекций / 23. Угольный микрофон. Электродинамический, электромагнитный, пьезоэлектрический микрофоны

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.

1.2. ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СИГНАЛОВ

1.2.1. 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,

1.2.2. 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.

1.2.4. Пьезоэлектрический микрофон

Принцип работы такого микрофона основан на использо­вании пьезоэффекта. При деформации пластины из пьезокристалла, вызываемой звуковым давлением р, на ее противопо­ложных поверхностях образуются разноименные электриче­ские заряды и создается разность потенциалов (рис.7). Величина и полярность разности потенциалов зависят от силы и направления ее воздействия па пластинку 1. Таким образом, звуковые колебания преобразуются в электрические сигналы. Для включения пьезокристалла в электрическую цепь на по­верхности пластины 1 наносятся металлические покрытия.