Сделай Сам Свою Работу на 5

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 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 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=Iо2— 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 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.