Приведите устройство и кратко опишите принцип действия угольного микрофона.

В качестве акустико-электрического преобразователя в ТЛФ тракте применяется микрофон. Микрофон преобразует звуковую энергию, создаваемую голосом во время разговора, в электрическую энергию речевого сигнала. Действие угольного микрофона основано на свойстве угольного порошка изменять свое сопротивление при изменении воздействующего на порошок давления (рис. 7.6).

 

Рис. 7.6. Устройство угольного микрофона

 

Угольный микрофон состоит из следующих элементов: 1 – корпус; 2 – угольный порошок; 3 – неподвижный электрод; 4 – подвижный электрод; 5 – ограничитель засыпки; 6 – мембрана; 7 – изоляционная втулка.

Под действием звуковых волн мембрана с закрепленным на ней подвижным электродом начинает колебательное движение и изменяет плотность угольного порошка. При уплотнении порошка сопротивление между подвижным и неподвижным электродами уменьшается, а при разрыхлении – увеличивается. Изменение сопротивления угольного порошка приводит к появлению пульсирующего тока. Постоянная составляющая этого тока I ₀ является током питания микрофона в состоянии покоя, а его переменная составляющая представляет собой разговорный ток. Угольный микрофон может преобразовывать звуковые колебания в электрические только при условии питания его от источника постоянной ЭДС.

Сопротивление микрофона зависит от положения его в пространстве и оценивается коэффициентом обрывности:

,

где R_{M α=0 ْ} и R_{M α=90 ْ} - сопротивление микрофона соответственно в горизонтальном и вертикальном положении. Коэффициент обрывности снижают, утапливая подвижные электроды в ячейке с угольным порошком.

На величину сопротивления микрофона влияет и сорт угольного порошка. Применяется угольный порошок двух сортов: с диаметром зерен d _з =0,2 мм и d _з =0,35 мм.

 

Рис 7.7. Эквивалентная схема цепи с микрофоном

 

Определим мгновенное значение тока i в цепи с микрофоном при воздействии на микрофон акустических колебаний с частотой ω (рис. 7.7).

                                               ,                                  

где R = R_H + R ₀; r _М, R ₀ – переменная и постоянная составляющие сопротивления микрофона. Величина m называется коэффициентом модуляции. Этот коэффициент зависит от чувствительности микрофона и интенсивности звука, действующего на мембрану. Разлагая выражение для мгновенного значения тока i в степенной ряд, получим                    .                             

Из этого выражения следует, что микрофон вносит в тракт передачи нелинейные искажения, т.е. колебания с частотами 2 w, 3 w … Обычно m £0.2 и членами со степенями mⁱ, i ³2. можно пренебречь, так как эти колебания располагаются ниже порога слышимости. Тогда

       .                          

Электродвижущая сила микрофона равна

         ,                        

где E_M – действующее значение ЭДС микрофона.

Рассмотрим характеристики, определяющие качество микрофона.

1. Чувствительность микрофона , [В/Па], где Р – звуковое давление, действующее на мембрану. Обычно используют эту величину, отнесенную к 1 мВ/Па, измеренную в дБ.

2. Частотная характеристика чувствительности микрофона S_M (f). S_M (f) имеет неравномерный характер.

 

Рис. 7.7. Частотные характеристики угольных микрофонов

 

Для повышения качества телефонной передачи применяют микрофоны электромагнитного или магнитоэлектрического типа.

3. Средняя чувствительность в заданном диапазоне частот f ₁ - f ₂

                                     .                               

Для МК-10 S м_ср =0,25¸ 0,3, для МК-16 – S м_ср =0,5.

4. Коэффициент неравномерности частотной характеристики

                                  , дБ,                                      

где S _{М max}, S _{М min} – максимальное и минимальное значения чувствительности микрофона. При Df=0.3¸3.4 кГц DSм для МК-10 равен 34,5 дБ, для МК-16 – 12¸15 дБ.

5. Диаграмма направленности – графическое изображение характеристик направленности в полярных координатах. S(f, a, b) – чувствительность на определенной частоте f в полярных координатах относительно оси микрофона и направлением на источник звука (a, b).

6. Уровень собственных шумов в микрофоне [дБ] измеряется относительно эффективного значения напряжения, обусловленного флуктуациями давления в окружающей среде и тепловыми шумами различных сопротивлений в электрической части микрофона.

7. Диапазон рабочих частот микрофона подразделяется на группы сложности

			Параметры
Запись музыки и художественной речи в студиях, залах, театрах	высшая	0	Δ f =20÷20000 Гц Δ S =5±2 дБ S ср=1,2 мВ/Па
Запись на бытовую аппаратуру музыки и речи в залах, театрах	первая	1	Δ f =40÷18000 Гц ΔS=8±2,5 дБ S ср=1,5 мВ/Па
Запись на бытовую аппаратуру в любых помещениях	вторая	2	Δ f =50÷12500 Гц Δ S =12±2,5 дБ S ср=1,5 мВ/Па
Запись внутри и вне помещений, диспетчер-ская и служебная связь	третья	3	Δ f =80÷10000 Гц Δ S =20±2,5 дБ S ср=2 мВ/Па

 

8. Климатические условия. Обычно задаются требования к температуре (t =15÷35ºС), влажности (45÷80% при t =22ºС), атмосферному давлению (720÷780 мм рт. ст.).

9. Наработка на отказ – 50000 часов, срок службы 10 лет.

Достоинства угольного микрофона

- низкая стоимость;

- простая конструкция;

- способность усиливать колебания.

Недостатки:

- нестабильность характеристик во времени;

- значительные нелинейные и частотные искажения, вносимые микрофоном;

- зависимость параметров микрофона от его положения в пространстве;

- спекание и гигроскопичность зерен порошка.