Лекция по микрофонам
План лекции
Вступление
1. Принцип действия и общие особенности конструкции микрофонов, типы их конструкций
2. Общие технические характеристики микрофонов
Список литературы
1. Справочник по акустике / Иофе В.К., Корольков В.Т., Сапожков М.А. / Под ред. М.А. Сапожкова. – М.: Связь, 1979. – 312 с.
2. Сапожков М.А. Электроакустика. Учебник для вузов. – М.: Связь, 1978. – 272 с.
Вступление
На предыдущих лекциях мы рассмотрели особенности акустических сигналов и усилители электрических сигналов, как важный компонент системы снятия акустической информации. Для образования системы необходим промежуточный элемент – преобразователь акустического сигнала в электрический. Такие преобразователи называются микрофонами.
Сегодня мы рассмотрим принцип действия и общие особенности конструкции микрофонов их типы и назначение с точки зрения применяемости в различных условиях, общие технические характеристики и устройство отдельных типов микрофонов, а так же особенности схем их включения.
Перейдем к первому вопросу нашей лекции.
1. Принцип действия и общие особенности конструкции микрофонов, типы их конструкций
Поскольку звуковая информация это механические колебания частиц среды, то основной задачей микрофона является преобразование этих механических колебаний в электрические. Следовательно, в микрофоне должен быть воспринимающий элемент, реагирующий на малые механические колебания среды. Кроме того, должен быть элемент, позволяющий создать переменный электрический сигнал, пропорциональный воздействию внешнего малого механического воздействия, передаваемого с воспринимающего элемента. И, наконец, должен быть связующий механический элемент или пропорциональное изменение какого-либо физического поля, чем обеспечивается взаимодействие этих двух предыдущих элементов.
Все три элемента в сумме объединяются в электромеханическую систему преобразования одного вида энергии в другой, т.е. механической энергии в электрическую. Естественно, конструктивно такое объединение происходит путем размещения всех трех элементов в одном корпусе.
В общем случае это принцип построения любых видов преобразователей одного вида энергии в другой. Часто такие преобразователи называют датчиками.
В случае микрофона в качестве элемента восприятия механических колебаний среды используется диафрагма (чаще ее называют мембраной) – т.е. тонкая пластина, из гибкого упругого материала, что и обеспечивает ее перемещение в пространстве под воздействием внешнего звукового давления.
Что касается элемента создания электрического сигнала, пропорционального уровню звукового давления, передаваемого мембраной, то они могут быть разными, и именно их конструкцией определяется тип микрофона.
Микрофоны бывают шести типов:
1. Угольный.
2. Электромагнитный.
3. Электродинамический катушечный.
4. Электродинамический ленточный.
5. Конденсаторный (электростатический и электретный).
6. Пьезоэлектрический.
Первыми появились угольные микрофоны. Их конструкция поясняется на рис. 1.
Как видите, имеется два электрода, один из которых – мембрана, а второй – корпус. В корпус засыпан мелкодисперсный угольный порошок. К электродам последовательно с первичной обмоткой трансформатора подключен источник постоянного тока. Корпус имеет цилиндрическую форму. Между мембраной и корпусом расположена изолирующая эластичная круговая прокладка. При колебаниях мембраны порошок сжимается или разжимается, изменяется сопротивление порошка, поэтому ток, протекающий в первичной обмотке трансформатора изменяется. Со вторичной (повышающей) обмотки трансформатора снимается переменный сигнал, пропорциональный акустическому сигналу. Разумеется, вся конструкция помещается в наружном общем корпусе.
Сигнал на выходе угольного микрофона определяется выражением
,
где
m – коэффициент модуляции;
F – действующая на мембрану микрофона результирующая сила звукового давления;
U0 – величина приложенного к микрофону постоянного напряжения;
Ri – внутреннее сопротивление микрофона;
RH – сопротивление нагрузки микрофона;
n – коэффициент трансформации трансформатора;
x – смещение мембраны микрофона;
zм – механическое сопротивление акустико-механической системы микрофона;
k – отношение коэффициента модуляции к величине смещения мембраны микрофона.
Выходное сопротивление угольного микрофона низкое, а выходное напряжение достаточно большое (от вольта до десятка вольт), поэтому его легко согласовать с любым типом усилительного каскада.
Но основное достоинство угольного микрофона – высокая чувствительность, полностью сводится к нулю его недостатком – высоким уровнем собственных шумов, что объясняется протеканием тока через угольный порошок.
Поэтому был разработан электромагнитный микрофон, конструкция которого показана на рис. 2.
Он работает так. Перед полюсами постоянного магнита (полюсными наконечниками) расположена мембрана, выполненная из магнитного материала. На полюсных наконечниках намотана обмотка. При колебаниях мембраны меняется магнитное сопротивление системы. Поэтому в обмотке изменяется магнитный поток, что приводит к возникновению в обмотке переменного напряжения звуковой частоты. Величина этого напряжения определяется выражением
,
где
Φ0 – величина магнитного потока, исходящего из полюсного наконечника магнитной системы;
d – величина зазора между полюсными наконечниками и мембраной;
v – колебательная скорость мембраны;
w – число витков обмотки;
Zi – внутреннее электрическое сопротивление микрофона.
Остальные обозначения в соответствии с рис. 1.
Выходное сопротивление электромеханического микрофона низкое, выходное напряжение – десятки, сотни милливольт. Легко согласовать с любым типом усилительного каскада.
Недостатки: узкий частотный диапазон, очень большой уровень нелинейных искажений. Следствие – плохая разборчивость речи. Сильная зависимость отдачи микрофона от частоты, в усилителе нужна коррекция в области высоких частот. После 400 Гц необходимо обеспечить в усилителе подъем АЧХ со скоростью 6 дБ/октаву.
Эти недостатки значительно ослаблены в электродинамическом микрофоне, поэтому они нашли широкое применение.
Имеется две модификации электродинамического микрофона – катушечный и ленточный микрофон.
Конструкция катушечного электродинамического микрофона показана на рис. 3.
Катушка индуктивности соединена механически с мембраной. Катушка должна быть очень легкой. При колебаниях мембраны катушка колеблется, в ней наводится э.д.с. самоиндукции.
Выходной сигнал определяется как
,
где
В – величина индукции в зазоре магнитной системы;
l – длина проводника обмотки подвижной катушки.
Остальные обозначения – как на рис. 2.
Достоинства – малые нелинейные искажения, широкий диапазон рабочих частот, малая неравномерность АЧХ, низкое выходное сопротивление. Недостатки: относительно большие габариты, низкая отдача, что требует применение повышающего трансформатора, располагаемого в корпусе микрофона.
Конструкция ленточного электродинамического микрофона позволяет получить еще лучшие характеристики. Она показана на рис. 4.
Отличие от предыдущей конструкции состоит в том, что вместо мембраны и катушки используется тонкая металлическая ленточка (фольга) толщиной 2 мкм, закрепленная и сильно натянутая между полюсными наконечниками магнитной системы. В ленточке наводится э.д.с. самоиндукции, которая снимается через трансформатор, расположенный в корпусе микрофона. За счет уменьшения массы мембраны ленточный микрофон работает в очень широком диапазоне с малыми нелинейными искажениями и очень высокой чувствительностью.
Недостатки: большие габариты и низкая отдача. Формула для расчета выходного напряжения такая же, как для катушечной модификации.
Для высококачественных систем озвучивания применяются конденсаторные микрофоны. Конструкция такого микрофона показана на рис. 5.
Микрофон состоит из подвижного и неподвижного электродов (обкладок), разделенных изолирующей прокладкой (как правило, воздушный зазор). При движении под воздействием звукового давления подвижной обкладки (мембраны) изменяется емкостное сопротивление электрической цепи, вызывая в сопротивлении нагрузки переменный ток. Характеристики точности преобразования акустического сигнала в электрический очень хорошие. Недостатки:
1. Очень высокое выходное сопротивление, поэтому в корпусе микрофона должен быть расположен катодный или эмиттерный повторитель.
2. Необходимость использования высокого напряжения (примерно 200 В).
3. Завал АЧХ в области низких частот.
4. Большие габаритные размеры и вес.
Выходной сигнал определяется как
,
где
d – зазор между мембраной и неподвижным электродом;
Zi – внутреннее емкостное сопротивление микрофона.
Особенность! При согласовании с усилителем в качестве выходного сопротивления принимается выходное сопротивление эмиттерного (катодного) повторителя.
Существует высокочастотная схема включения, где конденсатор (микрофон) включается в резонансный контур, и в цепь подается высокочастотное напряжение на резонансной частоте. С выхода снимается амплитудно-модулированный сигнал. При этом напряжение накачки может быть низким.
Нарисовать и рассказать подробно.
Одна из разновидностей конденсаторного микрофона – электретный микрофон. Вместо напряжения на мембрану или неподвижный электрод подается электрический заряд. Появились сравнительно недавно, после появления напыленных пленок, способных сохранять электрический заряд (иногда говорят напряжение поляризации). При этом напряжение через резистор подается только на один электрод. Обладают высокой чувствительностью, хорошими характеристиками точности преобразования и малыми габаритами и весом. Широко применяются в устройствах снятия акустической информации.
В 70 – 80 годах прошлого столетия пытались применять пьезоэлектрические микрофоны и полупроводниковые, но их использование не получило широкого распространения.
Однако для снятия акустических колебаний, распространяющихся в твердых и жидких средах, такие датчики широко используются.
Поэтому рассмотрим конструкцию пьезоэлектрического микрофона, показанную на рис. 6.
К мембране микрофона прикреплена игла, которая давит на пьезокристалл. Смещение кристалла вызывает в нем ток, пропорциональный частоте и амплитуде виброперемещения.
Сигнал на выходе определяется как
,
где
k – пьезоэлектрический коэффициент.
Остальные обозначения согласно предыдущим рисункам.
Теперь, когда мы знаем особенности конструкции, достоинства и недостатки разных типов микрофонов, можно перейти к рассмотрению их общих технических характеристик. Поэтому переходим ко второму вопросу нашей лекции.