Электроакустические и акустоэлектрические преобразователи сигналов
1. Классификация электроакустических преобразователей. 2. Принцип действия и основные характеристики телефонов. 3. Принцип действия и основные характеристики микрофонов.
Классификация электроакустических преобразователей Устройства, преобразующие электрическую энергию в звуковую (акустическую) или звуковую в электрическую, называются электроакустическими преобразователями. По принципу действия преобразователи делятся на: • электромагнитные, • электродинамические, • электростатические (конденсаторные), • пьезоэлектрические, • угольные, • транзисторные. Перечисленные выше системы преобразователей, кроме угольных и транзисторных, могут работать как в качестве микрофонов, так и в качестве телефонов, поэтому они называются обратимыми преобразователями.
По назначению преобразователи делятся на передающие: микрофоны и ларингофоны и приемные: телефоны и громкоговорители. Классификация электроакустических преобразователей представлена на рисунке
Принцип действия электромагнитного телефона Устройство электромагнитного телефона с простой электромагнитной системой: 1 —мембрана; 2—полюсные надставки; 3 — два полукольцевых постоянных магнита; 4 — электрообмотка.
Принцип действия электромагнитного телефона основан на взаимодействии магнитных потоков, создаваемых постоянным магнитом и электромагнитом телефона. Результатом такого взаимодействия является изменение силы, действующей на ферромагнитные мембрану или якорь, жестко связанный с мембраной. 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 А, что сопровождается излучением звуковых волн. Сила притяжения прямо пропорциональна квадрату магнитного потока.
Графики, поясняющие работу электромагнитного телефона: а поток постоянного магнита; б - изменение тока в обмотках; в изменение потока электромагнита; г - суммарный магнитный поток
Сила, действующая на мембрану, определяется из выражения: F = kn (Φ= + Φ~ sin ω t)2 S — площадь эквивалентного поперечного сечения магнитного потока между концом полюсной надставки и мембраной; Ф= — магнитный поток, созданный постоянным магнитом телефона; Ф~— амплитуда переменного магнитного потока, созданного протекающим по обмотке синусоидальным током. F = kп Φ 2=+2 kп Φ= Φ~ sin ωt + 0, 5 kпΦ 2~ - 0, 5 kпΦ 2~ cos 2ω t F 1 = 2 кп Φ=Ф~sinωt Сигнал F 2=0, 5 кпΦ 2~cos 2ωt Нелинейные искажения F 3=0, 5 кп. Ф 2~+кпΦ 2= постоянная сила, обеспечивает прогиб мембраны в сторону постоянных магнитов
Если Ф== 0, то F== 0, 5 кпΦ 2~ — 0, 5 кпΦ 2~cos 2ωt, Телефон без постоянного магнита возбуждает колебания с удвоенной частотой. Следовательно, постоянный магнит в телефоне необходим для обеспечения преобразования электрической энергии в звуковую с частотой, соответствующей частоте тока, Для снижения нелинейных искажений необходимо отношение амплитуд сил F 1 и F 2 сделать как можно большими за счет увеличения магнитного потока постоянного магнита Ф=.
Однако увеличение Ф= возможно только до оптимального его значения Ф=опт, при котором произведение магнитных потоков в мембране телефона Ф=м. Ф~м максимально (рис. 2), следовательно, максимальны сила F 1 и интенсивность возбуждаемого звукового поля.
Принцип действия угольного микрофона Угольный микрофон — необратимый активный преобразователь звуковых колебаний в электрические. Принцип его действия основан на свойстве угольного порошка изменять сопротивление электрическому току в зависимости от величины давления на порошок, вызывающего уплотнение и разрыхление. При отсутствии звуковых колебаний мембрана микрофона находится в состоянии покоя, а в цепи микрофона под воздействием напряжения U протекает постоянный ток питания микрофона I 0. При разговоре перед мембраной микрофона образуется звуковое поле, переменное звуковое давление которого действует на мембрану микрофона. При увеличении давления на мембрану последняя прогибается в сторону угольного порошка, сжимает его, уменьшает сопротивление, вследствие чего ток в цепи микрофона возрастает. При уменьшении давления на мембрану происходят разрыхление угольного порошка, увеличение сопротивления микрофона и уменьшение тока в его цепи.
1 — корпус угольной ячейки; 2— угольный порошок; 3—неподвижный электрод; 4—подвижный электрод; 5—полистироловое кольцо ; 6 – мембрана Рисунок - Устройство угольного микрофона
Принцип действия емкостного микрофона Емкостные микрофоны превращают изменение емкости в изменение электрического потенциала, тока, напряжения. Для простейшего конденсатора, состоящего из двух пластин, разделенных слоем диэлектрика (воздух, парафин и др. ), емкость определяется по формуле С = εS / d , где ε — диэлектрическая проницаемость диэлектрика; S — площадь поверхности каждой пластины; d — расстояние между пластинами. Из этого соотношения следует, что емкость конденсатора зависит от расстояния между пластинами. При наличии в цепи емкости, постоянного источника тока и нагрузки, воздействующее на пластины акустическое давление, изменяя расстояние между пластинами, приводит к изменению емкости.
Изменение емкости микрофона приводит к изменению сопротивления цепи и, соответственно, к изменению сопротивления и падению напряжения на сопротивлении нагрузки пропорционально акустическому давлению. Эти зависимости используются в конструкции конденсаторных микрофонов. Принципиальная схема конденсаторного микрофона приведена на рисунке. Устройство конденсаторного микрофона
Пьезоэлектрические микрофоны Поляризация диэлектрика при механическом воздействии на него называется прямым пьезоэлектрическим эффектом. Во внешнем электрическом поле “центры тяжести” положительных и отрицательных (электронных оболочек) зарядов молекулы смещаются в противоположные стороны на некоторое расстояние L
• Чтобы его наблюдать, из кристалла вырезают прямоугольный параллелепипед, грани которого должны быть ориентированы строго определенным образом относительно кристалла. При сдавливании параллелепипеда одна его грань заряжается положительно, а другая — отрицательно. Оказывается, что в этом случае плотность поляризованного заряда грани прямо пропорциональна давлению и не зависит от размеров параллелепипеда. Если сжатие заменить растяжением параллелепипеда, то заряды на его гранях изменяют знаки на обратные. • Чтобы воспринять изменение заряда или напряжения, к пьезоэлектрическому материалу подсоединяют две металлические пластины, которые фактически образуют пластины конденсатора, емкость которого определяется соотношением С = Q / U , где Q — заряд; U — напряжение.
Когда звуковое давление Р отклоняет диафрагму Д, ее движение вызывает деформацию пьезоэлектрической пластины ПЭП, которая, в свою очередь, вырабатывает электрический сигнал на выходных контактах. Устройство пьезоэлектрического микрофона
Сопротивление микрофона Rм = Rд ± rмsinωt Рис. 9. Сопротивление микрофона в статическом и динамическом режимах Рис. 10. Зависимость сопротивлений Rс и Rд среднеомного микрофона от тока питания
![Чувствительность микрофона Чувствительностью микрофона называется отношение действующего значения ЭДС Ем, [В], развиваемой микрофоном, к](https://present5.com/presentation/1/14825731_38138235.pdf-img/14825731_38138235.pdf-19.jpg "Чувствительность микрофона Чувствительностью микрофона называется отношение действующего значения ЭДС Ем, [В], развиваемой микрофоном, к")
Чувствительность микрофона Чувствительностью микрофона называется отношение действующего значения ЭДС Ем, [В], развиваемой микрофоном, к звуковому давлению Р, [Па] , действующему на его мембрану и измеренному в той точке поля, в которой помещен микрофон Sм = Eм / P Зависимость чувствительности микрофона от частоты при постоянной величине звукового давления называется частотной характеристикой чувствительности микрофона.
Скачать презентацию Электроакустические и акустоэлектрические преобразователи сигналов 1 Классификация
Лекция 8. Акустоэлект. преобразователи.pptx