5. Акустоэлектрические и 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.

Среди основных технических показателей микрофонов: чувствительность E – отношение напряжения на выходе микрофона к звуковому давлению, действующему на микрофон; динамический диапазонразность 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, 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 (рис. 5.1б).

Рис. 5.1. Схематичное изображение микрофона-приемника давления (а) и микрофона-приемника градиента давления (б)

Рис. 5.1. Схематичное изображение микрофона-приемника давления (а) и микрофона-приемника градиента давления (б)

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. Поэтому ДН такого микрофона имеет вид «восьмерки», т.е. микрофон не воспринимает звуковые колебания, падающие на него сбоку.

Большое влияние на характеристики микрофона оказывает его механоэлектрическая часть. В электродинамических и электромагнитных микрофонах выходное электрическое напряжение пропорционально скорости колебаний подвижной системы, а в микрофонах остальных типов – пропорционально колебательному смещению.

Для систем связи рекомендуются электромагнитные и угольные микрофоны. Они характеризуются полосой эффективно передаваемых частот от 300 до 5000…8000 Гц и достаточно высокой чувствительностью – от 10 мВ/Па (электромагнитные) до 400 мВ/Па (угольные).

Действие угольного микрофона (рис. 5.2а) основано на изменении сопротивления между зернами угольного порошка: при действии звукового давления на диафрагму (3) она начинает колебаться, в такт с этими колебаниями изменяется сила сжатия зерен угольного порошка (2), в результате чего изменяется сопротивление между электродами (1 и 4) и ток через микрофон. Основное преимущество такого микрофона – высокая чувствительность, позволяющая использовать его без усилителя. Недостатки – большой уровень шума, большая неравномерность частотной характеристики и значительные нелинейные искажения.

В электромагнитном микрофоне (рис. 5.2б) ферромагнитная диафрагма располагается перед полюсами магнита (2). При колебаниях диафрагмы (1) изменяется магнитное сопротивление воздушного зазора, а значит и магнитный поток через витки обмотки, намотанной на магнитопровод (3) этой системы. Благодаря этому возникает переменное напряжение звуковой частоты, являющееся выходным сигналом микрофона.

Рис. 5.2. Схематичное изображение угольного (а) и электромагнитного (б) микрофонов

Рис. 5.2. Схематичное изображение угольного (а) и электромагнитного (б) микрофонов

Такие микрофоны стабильны в работе, однако им свойственны большая неравномерность частотной характеристики и значительные нелинейные искажения. С целью повышения разборчивости речи частотную характеристику этих микрофонов корректируют (поднимают) в области высоких частот с крутизной 6 дБ/октава.

В качестве электроакустических преобразователей, превращающих электрические колебания в звуковые, акустические колебания воздушной среды (т.е. акустические волны), используют громкоговорители и телефоны. В настоящее время наиболее распространены электродинамические громкоговорители непосредственного излучения (диффузорные). Однако в абонентских устройствах СПРС они находят ограниченное применение. В отличие от громкоговорителя задачей телефона является не излучение акустической энергии в окружающее воздушное пространство, а подведение ее непосредственно к уху. Это определяет конструкцию головного телефона, который состоит из электроакустического преобразователя, капсюля, корпуса, а также эластичной раковины, являющейся элементом, связывающим его с ухом (рис. 5.3). Здесь: 1 – раковина, 2 – капсуль, 3 – преобразователь, 4 – канал уха.

В телефонах, в основном, применяются электромагнитные преобразователи, а также электродинамические, электростатические, и угольные. На рис. 5.4 показаны варианты конструкций телефонов: 1 электродинамического с сосредоточенной звуковой катушкой; 2 электродинамического с распределенной звуковой катушкой; 3 электростатического; 4 — электретного (близкого по конструкции к конденсаторному). Катушку в электродинамических преобразователях телефонов выполняют либо в традиционной форме, когда она намотана проводом на каркас, либо в варианте, в котором она состоит из концентрических плоских колец, напыленных или нанесенных другим методом на плоскую диафрагму.

Рис. 5.3. Конструкция головного телефона

Рис. 5.3. Конструкция головного телефона

Рис. 5.4. Варианты конструкций телефонов

Рис. 5.4. Варианты конструкций телефонов

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, в то же время для контроля звукозаписи выпускаются телефоны с полосой 100…5000 Гц и даже 40…16000 Гц, а стереофонические телефоны характеризу-ются полосой 20…20000 Гц.

Технические характеристики громкоговорителя и телефона должны соответствовать характеристикам канала, передающего речевой сигнал. Этому требованию довольно трудно удовлетворить, поскольку громкоговоритель работает в относительно широкой полосе частот, в которой отношение граничных частот достигает 1000 (длина акустической волны изменяется примерно от 17 м до 17 мм), а у телефонов это отношение изменяется от 10 до 400.

Устройства преобразования и обработки информации в системах подвижной радиосвязи


*****

© 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.