Лекция 6 ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Акустоэлектрические и электроакустические преобразователи в абонентских устройствах СПРС выполняют роль интерфейса «пользователь-система связи», обеспечивая важные физические функции при реализации голосовой связи по радиоканалу. Так, важным звеном любого электроакустического тракта является микрофон - устройство для преобразования акустических колебаний воздушной среды в электрические сигналы.

6.1. МИКРОФОНЫ. КЛАССИФИКАЦИЯ МИКРОФОНОВ

Среди основных технических показателей микрофонов: чувствительность E – отношение напряжения на выходе микрофона к звуковому давлению, действующему на микрофон; динамический диапазон – разность между уровнем предельного звукового давления Nmax и уровнем собственных шумов Nш: D = Nmax – Nш, дБ (для непрофессиональных микрофонов Nmax = 114 дБ в диапазоне частот 250…8000 Гц); характеристика направленности, которая оценивается отношением чувствительности микрофона Еq, измеренной при приходе звука под углом q (Тэта), к осевой чувствительности Ео: D(q) = Е(q) / Ео. Характеристику направленности, представленную в полярных координатах, называют диаграммой направленности (ДН). Классификация микрофонов по виду ДН включает:

· ненаправленные (круговые);

· двусторонне направленные (восьмерочные);

· односторонне направленные (кардиоидные).

Микрофон характеризуется также рядом других показателей, среди которых важнейшими являются: номинальный диапазон частот с допустимой неравномерностью частотной характеристики (от 4 до 20 дБ в зависимости от назначения микрофона), модуль полного электрического сопротивления на частоте 1 кГц (обычно от 50 до 2000 Ом), сопротивление номинальной нагрузки (150…3000 Ом), типовая частотная характеристика чувствительности.

Любой микрофон состоит из двух систем: акустико-механической и механоэлектрической. В зависимости от способа преобразования механических колебаний в электрические микрофоны делятся на электродинамические, конденсаторные, электромагнитные, пьезоэлектрические, угольные, транзисторные. По признаку приема звуковых колебаний микрофоны могут быть либо приемниками давления, либо приемниками градиента давления.

Свойства акустико-механической (т.е. подвижной) системы – диафрагмы зависят от того, как воздействует звуковое давление на диафрагму: если она открыта для звуковых волн только с одной стороны, то это приемник давления (рис. 5.1а), если же звуковые волны воздействуют на обе ее стороны, то это микрофон-приемник градиента давления.

Для микрофона - приемника давления характерно увеличение чувствительности с ростом частоты. Характеристики такого микрофона также сильно зависят от размеров диафрагмы (относительно длины падающей звуковой волны) и его формы.

Микрофон-приемник градиента давления можно представить в виде диафрагмы, размещенной в экране конечных размеров. Диафрагма открыта для звуковых волн с обеих сторон, поэтому на нее воздействует разность сил, обусловленная разностью хода звуковых лучей.

Первым получил распространение угольный микрофон, который и до сих пор используют в телефонии.

Принцип его действия основан на свойстве угольного порошка изменять свое сопротивление электрическому току в зависимости от величины давления на порошок, вызывающего его уплотнение и разрыхление.

Угольный микрофон работает следующим образом. При воздействии звукового давления на его диафрагму 1 она начинает колебаться.

В такт этим колебаниям изменяется и сила сжатия зерен угольного порошка 2, в связи с чем изменяется сопротивление между электродами 3 и 4, а при постоянном электрическом напряжении изменяется и ток через микрофон. Если, скажем, включить микрофон к первичной обмотке трансформатора Т, то на зажимах его вторичной обмотки будет возникать переменное напряжение, форма кривой которого будет отображать форму кривой звукового давления, воздействующего на диафрагму микрофона.

Основное преимущество угольного микрофона - высокая чувствительность, позволяющая использовать его без усилителей. Недостатки - нестабильность работы и шум из-за того, что полезный электрический сигнал вырабатывается при разрыве и восстановлении контактов между отдельными зернами порошка, большая неравномерность частотной характеристики и значительные нелинейные искажения.

После угольного микрофона появился электромагнитный микрофон:

Электромагнитный микрофон стабилен в работе. Однако ему свойственны узкий частотный диапазон, большая неравномерность частотной характеристики и значительные нелинейные искажения.

Для электроакустических трактов высокого качества наибольшее распространение в настоящее время получил конденсаторный микрофон.

Жестко натянутая мембрана 1 под воздействием звукового давления может колебаться относительно неподвижного электрода 2, являясь вместе с ним обкладками электрического конденсатора. Этот конденсатор включается в электрическую цепь последовательно с источником постоянного тока Е и активным нагрузочным сопротивлением R.

При колебаниях мембраны емкость конденсатора меняется с частотой воздействующего на мембрану звукового давления, в связи с чем в электрической цепи появляется переменный ток той же частоты и на нагрузочном сопротивлении возникает падение напряжения, являющееся выходным сигналом микрофона.

Конденсаторные микрофоны имеют самые высокие качественные показатели: широкий частотный диапазон, малую неравномерность частотной характеристики, низкие нелинейные и переходные искажения, высокую чувствительность и низкий уровень шумов.

Электретные микрофоны по принципу работы являются теми же конденсаторными, но постоянное напряжение в них обеспечивается зарядом электрета, тонким слоем нанесённого на мембрану и сберегающим этот заряд продолжительное время (свыше 30 лет).

Так как электростатические микрофоны имеют высокое выходное сопротивление, то для его уменьшения, как правило, в корпус микрофона встраивают повторитель на полевом n-канальном транзисторе с p-n переходом.

Это позволяет уменьшить выходное сопротивление до значения не более 3 - 4 кОм и снизить потери сигнала при подключении к входу усилителя сигнала микрофона.

Конденсаторный электретный микрофон предназначен для звукозаписи, звукопередачи и звукоусиления речи в составе комплекта, отдельно передающего устройства радиоэлектронной аппаратуры, в бытовой телефонии, приемно-передающих устройствах (радиостанциях), телефонах сотовой связи, передающих устройствах громкой связи.

Улучшить качество звука, которое во многих стационарных и сотовых телефонах остается низким, призваны так называемые МЭМС-микрофоны (от аббревиатуры MEMS – MicroElectroMechanical Systems). Они могут быть меньше по размеру, менее подвержены вибрации, вариациям температуры, электромагнитным помехам, что важно в сотовых телефонах и других аудиоустройствах.

6.2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТЕЛЕФОНА

В качестве электроакустических преобразователей, превращающих электрические колебания в звуковые, акустические колебания воздушной среды (т.е. акустические волны), используют громкоговорители и телефоны. Задачей телефона является не излучение акустической энергии в окружающее воздушное пространство, а подведение ее непосредственно к уху.

Принцип действия электромагнитного телефона основан на взаимодействии магнитных потоков, создаваемых постоянным магнитом (3) и электромагнитом (2) телефона.

В зависимости от направления тока в обмотке переменный магнитный поток либо увеличивает начальную силу притяжения мембраны, либо ее уменьшает. Изменяющаяся сила вызывает колебания мембраны с амплитудой AM , что сопровождается излучением звуковых волн.

Поскольку сила притяжения прямо пропорциональна квадрату магнитного потока, для синусоидального тока, протекающего по обмотке телефона, сила, действующая на мембрану определяется из выражения:

Где -коэффициент пропорциональности; S – площадь эквивалентного поперечного сечения магнитного потока.

Важными характеристиками телефона являются его чувствительность и частотная характеристика чувствительности – фактически АЧХ по звуковому давлению, создаваемому телефоном в слуховом канале человека.

Чувствительность измеряется в Па/В, т.е. в единицах звукового давления на 1 В подведенного напряжения сигнала. Типичные значения чувствительности (иногда называемой в справочниках – отдачей) – от 5…8 до 15…21 Па/В. Типичные полосы частот, эффективно воспроизводимые телефонами, составляют 300…3400 Гц.

Технические характеристики телефона должны соответствовать характеристикам канала, передающего речевой сигнал.

У телефонов отношение граничных частот изменяется от 10 до 400.