Тема 1.3 Электроакустические преобразователи
1.3.1 Общие сведения. В качестве преобразователей в ТА применяют микрофон, включаемый на передающем конце телефонного тракта, и телефон или громкоговоритель — на приемном конце. Микрофон преобразует звуковую энергию, создаваемую голосом во время разговора, в электрическую энергию речевого сигнала, а телефон или громкоговоритель совершает обратное преобразование — речевой сигнал преобразуют в звуковые колебания. Акустической нагрузкой телефона является замкнутый объем воздуха, ограниченный слуховым проходом уха. Громкоговорители предназначены для озвучения открытых пространств.
Большинство преобразователей содержит механическую колебательную систему, связанную с электрической цепью. При воздействии звуковых колебаний на колебательную систему изменяется сопротивление, емкость или другой параметр электрической цепи, что приводит к изменению величины тока. Если же преобразуются электрические колебания в звуковые, то изменения тока в цепи вызывают механические колебания подвижной системы, которые в свою очередь возбуждают звуковые колебания.
По принципу работы преобразователи делятся на электродинамические, электромагнитные, пьезоэлектрические, конденсаторные, транзисторные, электретные, угольные и др. В телефонной связи наибольшее распространение получили угольные микрофоны и электромагнитные телефоны. В электродинамических преобразователях используется принцип взаимодействия магнитных полей постоянного магнита и подвижной катушки индуктивности. При использовании таких преобразователей в качестве микрофона звуковые колебания воздействуют на подвижную катушку, она колеблется в постоянном магнитном поле и в катушке индуцируется ЭДС. Основным недостатком таких преобразователей является необходимость последующего усиления, поскольку индуцированная ЭДС имеет недостаточную величину. Еще больший коэффициент усиления необходим для конденсаторных микрофонов, в которых происходят изменения емкости преобразователя при изменении интенсивности звуковых колебаний. Существенным недостатком пьезо преобразователей является их механическая непрочность. В электретных преобразователях используются имеющие постоянные поверхностные заряды постоянно поляризованные диэлектрики — электреты. Если электрет поместить между двумя металлическими электродами, включенными в электрическую цепь, и один из электродов использовать в качестве звукоприемника, то в электрической цепи потечет ток, частота которого будет соответствовать частоте возбуждаемых звуковых колебаний. Однако вопрос применения электретных и транзисторных преобразователей в телефонной связи еще недостаточно исследован.
Качество работы преобразователей оценивают чувствительностью. Под чувствительностью микрофона SМ понимают отношение действующего значения ЭДС на его зажимах Ем (в вольтах) к величине звукового давления Р (в паскалях). Чувствительностью телефона Sт называют отношение величины звукового давления Р (в паскалях), развиваемого телефоном в камере искусственного уха, к величине действующего значения переменного напряжения Uт, приложенного к его зажимам (в вольтах). Чувствительность микрофона и телефона определяется из выражений Sм = Ем/Рм и SТ = РТ/Uт. Величина чувствительности преобразователей зависит от частоты. Эта зависимость S(f) называется частотной характеристикой чувствительности преобразователя. Эффективность работы преобразователя в рабочем диапазоне частот f1-f2 оценивается величиной его средней чувствительности:
1
Sср= S(f)dt (1.5)
f2-f1
Отклонение чувствительности преобразователя на разных частотах от его среднего значения приводит к частотным искажениям. Степень такого отклонения оценивается неравномерностью частотной характеристики чувствительности, определяемой в децибелах по формуле
<S = 20lg(Smax,/Smin), (1.6)
где Smax, Smin — наибольшее и наименьшее значения чувствительности преобразователя в рабочем диапазоне частот f1 и f2
Амплитудной характеристикой преобразователя называется зависимость сигнала на выходе (при постоянной частоте возбуждения) от сигнала на его входе. Линейный участок этой характеристики обычно ограничен величинами минимального и максимального значения сигналов на входе преобразователя. Подставляя значения звукового давления или подводимого напряжения (1.1), определяют динамический диапазон преобразователя.
Преобразователи также характеризуются электроакустическим коэффициентом, под которым понимают отношение мощности сигнала на выходе к мощности на его входе.
1.3.2 Угольный микрофон. Действие угольного микрофона основано на свойстве угольного порошка изменять свое сопротивление при изменении воздействующего на порошок давления. Под действием звуковых волн мембрана 4 (рисунок 1.3.1а, б) с закрепленным на ней подвижным электродом 3 приходит в колебательное движение и изменяет плотность угольного порошка 2. При уплотнении порошка сопротивление между подвижным 3 и неподвижным 1 электродами уменьшается, а при разрыхлении — увеличивается. Изменение Сопротивления угольного порошка приводит к появлению пульсирующего тока. Постоянная составляющая этого тока Iо является током питания микрофона в состоянии покоя, а его переменная составляющая представляет собой разговорный ток. Если на угольный микрофон сопротивлением Rм воздействовать, например, синусоидальным звуковым колебанием Р(ω) с частотой ω, то мгновенное значение тока i в цепи сопротивления Rн (см. рисунок 1.3.1.б) можно определить из уравнения, которое после разложения в ряд (используется бином Ньютона)
I=U /Rн+Rм-< R *sin<ωt=Io(1+m sin ωt +m2 sin2ωt +m3 sin3ωt + . . . ) (1.7)
R=Rн+Rм; Iо=U/R; т=^R/R. Колебания тока с частотой определяются выражением Iomsinωt. Кроме основных колебаний, как следует из анализа последующих слагаемых уравнения (1.5), возбуждаются еще колебания тока с частотами
Рисунок 1.3.1 Угольный микрофон:
а) — принцип устройства и схема включения; б) — эскиз микрофона МК-16
/ — неподвижный электрод; 2 — угольный порошок; 3 — подвижный электрод; 4 — мембрана; 5 — корпус; 6 — крышка; 7 — фигурное кольцо; 5 — ограничитель засыпки; 5 — пластмассовый держатель; 10 — изоляционная втулка; 11 — отверстия.
2ω, 3ω, ... и монотонно убывающими амплитудами 0,5m2I0, 0,25m3Iо, . . . , обусловливающими гармонические искажения угольного микрофона. Однако при небольшой интенсивности воздействующих на микрофон звуковых колебаний коэффициент модуляции т обычно не превышает 0,2(m<0,2) и паразитные колебания не воспринимаются на слух, так как амплитуды колебаний с частотами 2ω, Зω, . . . располагаются значительно ниже порога слышимости. Поэтому для не очень громкой передачи мгновенное значение тока можно определить из уравнения.
i = Io +Io sinωt или i = U +Io^R sinωt / R (1.8)
В последнем выражении числитель имеет размерность напряжений: первое слагаемое — напряжение батареи, а второе слагаемое представляет собой ЭДС микрофона ем, которую генерирует микрофон при его возбуждении. Эта ЭДС пропорциональна току питания Iо и амплитуде переменной составляющей сопротивления ^R микрофона. Величина ^R зависит от величины сопротивления микрофона Rм: у высокоомных микрофонов она больше, у низкоомных — меньше.
Мощность, отдаваемую микрофоном как генератором согласованной нагрузке (Rн=Rм), определим по формуле
Wэ = Е2эфф/ 4Rм = ½ Wo m2 (1.9)
где :Еэфф=Ем/ 2, а Wо=Iо2Rм— мощность, потребляемая микрофоном от батареи. Учитывая, что величина Wо определяется нормированным значением тока питания микрофона I0 и что превышение ее ведет к значительному увеличению собственных шумов микрофона, а повышение коэффициента модуляции свыше 0,2 не желательно, так как это ведет к значительным гармоническим искажениям, электрическая мощность WЭ, отдаваемая угольным микрофоном в согласованную нагрузку, ограничена и составляет примерно 1 мВт. Поскольку средняя мощность звуковых колебаний, воздействующих на мембрану микрофона при разговоре, составляет Wзв~1 мкВт, то нетрудно убедиться, что угольный микрофон является усилителем мощности и его электроакустический коэффициент составляет μва=Wэ/Wзв=1000.
Частотная характеристика чувствительности микрофона имеет неравномерный характер. Повышение чувствительности в области верхних частот разговорного спектра обусловлено резонансными явлениями, возникающими при совпадении частоты звуковых колебаний с частотой собственных колебаний мембраны микрофона. Неравномерный характер частотной характеристики обусловливает амплитудно-частотные искажения, которые воспринимаются на слух как искажения тембра голоса. Для борьбы с этими искажениями используют резонансные свойства акустических объемов. Изменяя размеры и формы воздушных объемов, заключенных между корпусом микрофона и его частями, а также вводя новые резонансные объемы с помощью акустических перегородок, повышают чувствительность микрофона в области частот разговорного спектра. На рисунке 1.3.2 приведены частотные характеристики чувствительности современных угольных микрофонных капсюлей МК-10 и МК-16.
Рисунок 1.3.2 Частотные характеристики угольных микрофонов МК-10, МК-16
Для повышения качества телефонной передачи иногда применяют микрофоны других типов (обычно электромагнитные, реже магнитоэлектрические). Однако средняя чувствительность лучших таких преобразователей не превышает 0,001В/Па, и при использовании требуется последующее усиление.
1.3.3 Электромагнитный телефон.Различают электромагнитные телефоны с простой и дифференциальной магнитными системами (рисунок 1.3.3а и б). Мембрана телефона с простой магнитной системой (см. рис. 1.3.3а) изготовляется из магнитомягкого материала. Под воздействием постоянного магнита, создающего магнитный поток Ф=, мембрана находится в притянутом состоянии и имеет первоначальный прогиб б. Когда в обмотку телефона поступает переменный ток, образуется переменный магнитный поток Ф̃ . Магнитные потоки Ф= и Ф̃ замыкаются через полюсные надставки, мембрану, воздушный зазор между мембраной и полюсными надставками и постоянный магнит. Мембрана, находящаяся под воздействием суммарного магнитного потока, величина которого изменяется, совершает колебательные движения.
Рис. 1.3.3 Электромагнитный телефон:
а — с простой магнитной системой; б — с дифференциальной магнитной
системой; в — условное обозначение ;
1 — постоянный магнит; 2 — полюсные надставки; 3 — обмотка; 4 — мембрана; 5 —якрь; 6 — стержень.
Если, например, по обмотке телефона пропустить переменный синусоидальный ток с частотой ω, то на мембрану будет действовать сила Р, обусловленная суммой магнитных потоков Ф=+Ф˜, а именно 2
F= k (ф= + ф̃)2 = k (ф= + Ф sinωt)2 = k Ф= + 2ФФ= k sinωt+ 1/2Фk(1-cos2ωt) (1.10)
где k — коэффициент пропорциональности. Из этого выражения следует, что колебания мембраны телефона определяются воздействием двух сил. Первая сила F1 = 2ФФ=k sinωt вызывает полезные колебания с частотой ω. Вторая сила F2=1/2Ф2k(1—соs2сωt) также изменяется во времени, но вызывает колебания с удвоенной частотой 2ω, т. е. вносит частотные искажения. Из сравнения амплитуд этих сил 2ФФ=k и 0,5Ф2k следует, что если выполнить соотношение Ф=>Ф (в реальных телефонах Ф=(Ф>1000), второй силой по сравнению с первой можно пренебречь и считать, что мембрана будет колебаться с частотой тока, проходящего по обмотке телефона.
В телефоне с дифференциальной магнитной системой ( рисунок 1.3.36) магнитный поток Ф˜, возникающий при прохождении через катушку переменного тока, взаимодействует с потоком, создаваемым постоянными магнитами: Ф=Ф/= + Ф"=. В один полупериод происходит сложение постоянного и переменного потоков и якорь с мембраной-звукоизлучателем 4 перемещаются вверх, во второй полупериод усиливается поток через нижний полюсный наконечник и якорь с мембраной смещаются вниз. На якорь телефона действуют две силы: F'=k(Ф=+Ф sinωt)2 и F//=k(Ф=-Фsinωt)2 Колебания якоря и мембраны определяются взаимодействием этих сил: F=F '-F "=4ФФ=k* sinωt. (1.11)
Таким образом, выражение для силы, колеблющей мембрану, не содержит слагаемого с двойной частотой; поэтому телефоны с дифференциальной магнитной системой не вносят гармонических искажений при передаче
Также имеют более высокую чувствительность.
0,3 0.5 0,8 1,0 2,0 3.0 кГц
Рисунок 1.3.4 Частотные характеристики капсюлей ТК-67;ДЄМК-7Т
Частотная характеристика телефона из-за резонансных свойств его мембраны имеет неравномерный характер. С целью уменьшения этой неравномерности в конструкцию телефонов вводят дополнительные резонансные объемы, образуемые с помощью акустических перегородок. Располагая частоты этих резонансов в спектре наименьшей чувствительности и вводя элементы акустического трения в области частот, соответствующих резонансу его мембраны, обеспечивают выравнивание частотной характеристики телефона. Частотные характеристики чувствительности современных электромагнитных капсюльных телефонов приведены на рисунке 1.3.4 Основные параметры электромагнитных телефонов и угольных микрофонов приведены в таблице 1.3.1.
Таблица 1.3.1. Параметры телефонов и угольных микрофонов
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:
©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|