Устройство и принцип работы электродинамических, электростатических микрофонов. Радиомикрофоны. Формирование стереофонических сигналов с помощью микрофонов.

Катушечные (динамические) микрофоны. Эти микрофоны могут быть выполнены как приемники дав­ления или комбинированные. Конструкция динами­ческого микрофона - приемника давления показана на рис. 3.3. Микрофон состоит из подвижной и маг­нитной систем. Подвижную систему составляют диафрагма 3, зву­ковая катушка 4, расположенная в зазоре магнитной цепи, гофрированный подвес 5, с помощью которого диафрагма крепится к магнитной системе. Для боль­шей жесткости диафрагма имеет куполообразную фор­му. Магнитная система состоит из полюсного нако­нечника 1, магнита 7, магнитопровода 8 и верхнего фланца 6. Микрофон помещают в корпус (на рисунке не показан) с отверстием, затянутым защитной сет­кой, для предохранения диафрагмы от повреждений.

Принцип работы микрофона основан на электро­магнитной индукции. При воздействии звуковых волн диафрагма, а вместе с ней и звуковая катушка колеблются в радиальном магнитном поле, созданном маг­нитной системой в кольцевом воздушном зазоре меж­ду верхним фланцем и полюсным наконечником. Вследствие этого в звуковой катушке индуцируется ЭДС:

e = Blv, (3.4)

где В - индукция в зазоре; l — длина провода ка­тушки; v — скорость колебаний катушки.

Для повышения чувствительности динамических микрофонов необхо­димо увеличивать площадь диафрагмы, индукцию в зазоре и уменьшать механическое сопротивление под­вижной системы Zm. Для уменьшения Zm увеличивают гибкость подвижной системы, используя гофрирован­ный подвес и уменьшая ее массу (диафрагму изготав­ливают из легких пластмасс, применяют бескаркас­ную намотку звуковой катушки). В качестве магни­тов применяют материалы с большой магнитной ин­дукцией: сплавы железа с алюминием, никелем, ме­дью и кобальтом (ЮНДК-24, ЮНДК-25).

Акустически комбинированный динамический микрофон (рис. 3.4) имеет отверстие 2 в корпусе и в магнитной системе, благодаря которым звуковые ко­лебания приходят к тыльной стороне диафрагмы.

Чувствительность динамических микрофонов в ре­жиме холостого хода составляет 1,6...2мВ/Па, стан­дартный уровень чувствительности - 58 дБ,

неравномерность частотной характеристики равна 12 дБ. Основной причиной неравномерности частотной харак­теристики является зависимость Zm от частоты. Для ее уменьшения усложняют конструкцию микрофона, применяя резонансную систему, состоящую из массы воздуха в каналах 2 (см. рис. 3.3) и его гибкости меж­ду магнитом и магнитопроводом. Усложнение конст­рукции позволяет расширить частотный диапазон мик­рофона до 50... 10 000 Гц, а для отдельных микрофо­нов — до 15 000 Гц.

Динамические микрофоны относительно просты по конструкции, надежны в эксплуатации, могут рабо­тать в широком диапазоне температур и влажности, устойчивы к сотрясениям. Это предопределило их широкое распространение в системах озвучения и зву­коусиления, в аппаратно-студийных комплексах. Ди­намические микрофоны обозначаются буквами МД и цифрами, указывающими номер разработки, напри­мер МД-72.

Ленточные микрофоны. Принцип работы ленточ­ных микрофонов, как и динамических, основан на явлении электромагнитной индукции. Конструкция ленточного микрофона градиента давления показана на рис. 3.5. Он состоит из тонкой гофрированной алю­миниевой ленточки 3, выполняющей роль звуковоспринимающего элемента и проводника. Ленточка под­вешена на изолирующих планках 4 в зазоре между полюсными наконечниками 2 подковообразного магнита 1. Ленточка колеблется под воздействием разностной силы в линейном магнитном поле, в результате чего в ней наводится ЭДС. Алюминиевая ленточка шириной 2...2,5 мм и длиной 20...30 мм имеет малое электри­ческое сопротивление, равное 0,25...0,5 Ом. При та­ком сопротивлении ЭДС, возникающая на концах ленточки, составляет несколько микровольт. Для по­вышения напряжения, а также для согласования со­противления ленточки с сопротивлением нагрузки в конструкцию микрофона входит повышающий транс­форматор с коэффициентом трансформации более 50.

Минимальная частота номинального диапазона ча­стот микрофона зависит от резонансной частоты под­вижной системы:

fо = 1/mс, (3.7)

где m — масса; с — гибкость ленточки.

Увеличением гибкости «с» получают fо = 15...20 Гц. Применение гибкой ленточки малой массы способству­ет также увеличению чувствительности микрофона, уменьшению искажений, связанных с переходными процессами. Низкая резонансная частота подвижной системы, а также увеличение разности сил в поле сферической волны приводят к увеличению чувствительности ленточных микрофонов на низких частотах. Для получения равномерной ча­стотной характеристики в конструкции микрофона используют устройства электрической коррекции (дроссель L включен параллельно первичной обмотке повышающего трансформатора) и акустической кор­рекции — дополнительные объемы, каналы и т.д.

Ленточные микрофоны могут быть выполнены как приемники градиента давления, комбинированные или приемники давления. В ленточных комбинированных приемниках тыльная сторона ленточки частично зак­рыта акустическим экраном. Чтобы устранить влия­ние отраженных волн, через звукоотводящий канал звуковые волны направляются в лабиринт, представ­ляющий собой каналы, заполненные ватой. В лаби­ринте звуковые волны поглощаются. В зависимости от площади ленточки, открытой для воздействия зву­ковых волн с тыльной стороны, можно получить ди­аграммы направленности в виде кардиоиды, суперкар­диоиды и т.д. В ленточных микрофонах — приемни­ках давления тыльная сторона ленточки закрыта пол­ностью. Параметры ленточных микрофонов пример­но одинаковы с динамическими, в полосе частот 50... 15 000 Гц можно получить неравномерность час­тотной характеристики 8 дБ. Ленточные микрофоны, по сравнению с динамическими более громоздки, чув­ствительны к вибрации и электрическим полям, ис­пользовать их можно только в помещениях. Благода­ря наиболее естественному и мягкому звучанию их применяют в студиях и концертных залах для записи музыки.

Ленточные микрофоны обозначаются буквами МЛ и цифрами, указывающими номер разработки, напри­мер МЛ-51.

Конденсаторные микрофоны. В состав конденсаторного микрофона входит кап­сюль, представляющий собой конденсатор с воздуш­ным диэлектриком. Схема включения капсюля при­ведена на рис. 3.6. Один из электродов конденсатора массивный 2, а второй — тонкая натянутая мембрана 1. К конденсатору через резистор Rн приложено поля­ризующее напряжение Uo. При воздействии на мемб­рану звуковых волн изменяется расстояние между электродами, изменяются емкость конденсатора и напряжение на нем, при этом пропорционально звуковому давлению изменяется напряже­ние на резисторе Rн:

Расстояние между обкладками конденсатора состав­ляет 20...40 мкм, при поляризующем напряжении в несколько десятков вольт чувствительность микрофо­на достигает 10 мВ/Па. При этом амплитуда смеще­ний мембраны составляет лишь тысячные доли мик­рометра.

В отличие от конденсаторных в электретных мик­рофонах отсутствует отдельный источник поляризую­щего напряжения. Источником этого напряжения слу­жит мембрана, которая выполнена из полимерных материалов (смол), являющихся диэлектриками, ко­торые способны в сильных электрических полях и при высокой температуре заряжаться и сохранять элект­рический заряд продолжительное время. Такие мате­риалы называют электретами. Если мембрану из электрета металлизировать, то между обкладками кон­денсатора возникнет разность потенциалов 45...130 В.

Чувствительность за­висит от частоты. При этом резонансная частота подвижной системы должна быть больше верхней рабочей часто­ты микрофона. Чтобы увеличить резонансную часто­ту подвижной системы, уменьшают массу мембраны (полимерная пленка толщиной в несколько микромет­ров с напыленным слоем золота) и гибкость, исполь­зуя упругие свойства воздушного объема между элек­тродами конденсатора. Для этого конденсатор герме­тизируют.

Расчет чувствительности конденсаторных микро­фонов показал, что малая неравномерность частотной характеристики может быть обеспечена, если сопро­тивление нагрузки Rн будет больше сопротивления конденсатора. В области низких частот это условие выполнить трудно. Сопротивление конденсатора на частоте 30 Гц при емкости капсюля 100 пФ получает­ся около 50 МОм, следовательно, сопротивление на­грузки должно быть еще больше. При столь малой емкости и большом сопротивлении нагрузки нельзя применять длинный кабель для подключения к мик­рофонному усилителю, так как емкостное сопротив­ление кабеля будет шунтировать сопротивление на­грузки, что приведет к уменьшению чувствительнос­ти и увеличению уровня шумов микрофона. Поэтому первый усилительный каскад располагают в общем корпусе с капсюлем микрофона. В качестве усилитель­ного элемента используют полевые транзисторы.

Конденсаторные микрофоны выполняют как при­емники давления, градиента давления и акустически комбинированные. Конструкция капсюля комбиниро­ванного конденсаторного микрофона показана на рис. 3.7. Средний электрод 1 массивный, металлический, а два внешних электрода 2 — мембраны. В неподвижном электроде сделаны канавки 3. увеличивающие чувствительность микрофонов, и сквоз­ные каналы 4.

Звуковые волны, действующие на вне­шнюю сторону любой из мембран, передаются через каналы в неподвижном электроде к внутренней сто­роне другой мембраны. Если между неподвижным электродом и мембранами изменять полярность напря­жения, то такая конструкция капсюля позволяет по­лучать различные диаграммы направленности (круг, восьмерка, кардиоида).

Капсюль конденсаторного микрофона градиента давления получают размещением мембраны между двумя неподвижными электродами, в которых сдела­ны специальные канавки. Движение мембраны при­водит к изменению емкости между ней и каждым из неподвижных электродов. К усилителю подключают только мембрану и один из неподвижных электродов. Второй неподвижный электрод выполняет роль акус­тического элемента, обеспечивающего симметрию воз­действия звуковой волны на стороны мембраны.

Конденсаторные микрофоны имеют высокую чув­ствительность, равномерную частотную характеристи­ку (неравномерность не более 6 дБ в диапазоне частот 50...15 000 Гц). Электретные микрофоны дешевле конденсаторных и имеют большую неравномерность частотной характеристики.

Конденсаторный микрофон может входить в состав радиомикрофона, представляющего собой совокупность микрофона и портативного радиопередатчика. Мало­мощный радиопередатчик мощностью 20... 100 мВт работает в диапазоне метровых волн, обеспечивая дальность действия 50...300 м. Роль антенны выполняет гибкий проводник длиной 0,1...0,3 м. Капсюль конденсаторного микрофона включают в колебательный задающего генератора радиопередатчика, осуществляя таким образом частотную модуляцию генерируемого высокочастотного сигнала сигналом, принимаемым микрофоном.

Для приема сигналов от радиомикрофонов по периметру помещения расположены антенны, которые подключаются к радиоприемному устройству. Электрический сигнал, соответствующий звуковым частотам, получают на выходе радиоприемного устройства. Радиомикрофоны дают полную свободу перемещения исполнителя в пределах помещения без нарушения работы системы.

Конденсаторные микрофоны обозначаются буквами МК и цифрами, указывающими номер разработки, на­пример МК-14. Обозначение электретных микрофонов аналогично конденсаторным, например МКЭ-6.

2. Задание на СРС (Л.2 стр. 43-50) 2.1 Как классифицируются катушечные микрофоны? 2.2 Какую полосу частот воспроизводит катушечный микрофон? 2.3 Почему катушечные микрофоны не рекомендуют использовать на улице? 2.4 Как получить равномерную характеристику у ленточного микрофона?

3. Задание на СРСП. 3.1 К какому типу микрофонов относятся катушечные и ленточные микрофоны? 3.2 Отчего зависит величина эдс катушечного микрофона 3.3 Почему тыльную сторону ленточки ленточного микрофона закрывают акустическим экраном?

4. Контрольные вопросы

4.1 Классификация микрофонов по принципу преобразования электромагнитной энергии. 4.3 Классификация микрофонов по принципу приема звука. 4.4 Что такое рабочая ось микрофона? 4.5 Принцип действия конденсаторного микрофона?

Глоссарий

5.1 Радиомикрофон 5.2 Электретный микрофон 5.3 Конденсаторный микрофон 5.4 Сопротивление нагрузки 5.5 Источник питания

The radiomicrophone   Condenser microphone   Resistance of loading The power supply

Литература

Основная 6.1 М.Т. Кохно стр. 69-81 6.2 А.В. Выходец стр. 43-50

Дополнительная

Лекция 8

Громкоговорители. Их классификация по принципу электромеханических преобразований, излучения. Устройство и принцип работы головки динамической, искажения. Способы улучшения качества звучания громкоговорителей. Акустические системы. Звуковые колонки.

Громкоговорителем называют электроакустичес­кий преобразователь, предназначенный для излучения звука в окружающее пространство. Составные узлы громкоговорителя: головка, акустическое оформление, Пассивные электрические устройства (фильтры, транс­форматоры, регуляторы). В головке громкоговорите­ля происходит преобразование сигналов звуковых ча­стот из электрической формы в акустическую. Акус­тическое оформление (акустический экран; закрытый, открытый или фазоинверсный ящик; рупор) повыша­ет эффективность излучения.

По способу преобразования электрической энергии в акустическую громкоговорители делятся на элект­родинамические, электростатические (конденсаторные, пьезоэлектрические), электромагнитные и релейные. Наиболее широкое распространение получили элект­родинамические громкоговорители. В высококаче­ственных громкоговорителях применяются электро­статические (конденсаторные) головки. Электромаг­нитные громкоговорители из-за низкого качества звучания практически не применяются. Релейные (пневматические) громкоговорители преобразуют энергию постоянного потока воздуха в акустическую под воздействием механических колебании и используются в сиренах.

По способу излучения различают головки прямого излучения и рупорные громкоговорители. В головках прямого излучения звук излучается непосредственно в окружающее пространство. Головки рупорных громкоговорителей излучают звук через рупор.

К основным характеристикам громкоговорителем относят следующие:

Номинальная мощность — электрическая мощность, рассеиваемая на сопротивлении, равном номинальному электрическому сопротивлению громкоговорителя, ограниченная возникновением искажений, превышающих заданную норму.

Максимальная шумовая (или синусоидальная) мощность — электрическая мощность специально го шумового сигнала (непрерывного синусоидального тока) в заданном диапазоне частот, которую громкоговоритель длительно выдерживает без тепловых и механических повреждений. Она должна быть меньше номинальной.

Коэффициент полезного действия — отношение излучаемой громкоговорителем акустической мощ­ности к электрической мощности на частоте (или в полосе частот со средней частотой fср).

Номинальное электрическое сопротивление — активное сопротивление, которым замещают гром­коговоритель при измерении электрической мощно­сти, потребляемой от источника сигнала. Это сопро­тивление соответствует минимальному значению модуля полного электрического сопротивления гром­коговорителя в диапазоне частот выше частоты ос­новного резонанса. Номинальное сопротивление го­ловок составляет 4, 8, 16, 25, 50 Ом.

Среднее стандартное звуковое давление — сред­нее звуковое давление, развиваемое громкоговорите­лем в номинальном диапазоне частот на рабочей оси на расстоянии 1 м от рабочего центра при подведении напряжения, соответствующего мощности в 1 Вт.

Рабочей осью называют прямую, проходящую через рабочий центр (обычно геометрический симметрии выходного отверстия излучения) в направлении преимущественного использования. Головки динамические развивают стандартное звуковое давление 0,2...0,4 Па.

Характеристика направленности — зависимость звукового давления, развиваемого громкоговорителем в точке свободного поля, от угла между рабочей осью громкоговорителя и направлением на эту точку. Характеристику (диаграмму) направленности для одной плоскости представляют в полярной системе координат.