Читайте также: |
|
Устройства, преобразующие электрическую энергию в звуковую (акустическую) или звуковую в электрическую, называются электроакустическими преобразователями.
В телефонной аппаратуре для передачи речи применяются электроакустические преобразователи различных систем и типов, которые классифицируются по принципу действия и назначению.
По принципу действия преобразователи делятся на электромагнитные, электродинамические, электростатические (конденсаторные), электретные, пьезоэлектрические, угольные, транзисторные. Перечисленные выше системы преобразователей, кроме угольных, электретных и транзисторных, могут работать в качестве, как микрофонов, так и телефонов, поэтому они называются обратимыми преобразователями. Угольный, электретный, конденсаторный и транзисторный преобразователи требуют для своей работы источник питания электрической энергией и поэтому называются активными.
По назначения преобразователи делятся на передающие: микрофоны и ларингофоны и приемные: телефоны и громкоговорители.
Телефон – преобразователь электрических колебаний в звуковые, предназначен для работы в условиях нагрузки на ухо человека. Принцип действия электромагнитного телефона основан на взаимодействии магнитных потоков, создаваемых постоянным магнитном и электромагнитном телефона. Результатом такого взаимодействия является изменение силы, действующей на ферромагнитные мембрану и якорь, жестко связанный с мембраной.
Электромагнитные телефоны выпускаются с простой и дифференциальной магнитными системами. Устройство капсюльного электромагнитного телефона с простой электромагнитной системой показано на рис. 2.9. Все детали помещены в пластмассовый корпус, закрытый крышкой с отверстиями. Мембрана удерживается силой постоянного магнита и дополнительно зажимается крышкой по краю.
Рис. 2.9. Устройства электромагнитного телефона с простой электромагнитной системой: 1 − мембрана; 2 − полюсные надставки;
3 − постоянный магнит; 4 − обмотка.
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 , 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:
; (2.17)
где – коэффициент пропорциональности; S – площадь эквивалентного поперечного сечения магнитного потока между концом
полюсной надставки и мембраной; – магнитный поток, создаваемый постоянным магнитом телефона; − амплитуда переменного магнитного потока, создаваемого протекающим по обмотке синусоидальным током. Раскрывая выражение (1.17), получаем:
. (2.18)
Выражение (1.18) указывает на то, что сила F представляет собой сумму трех сил: Ф Ф sinωt воздействует на мембрану телефона с угловой частотой ω, совпадающей с частотой тока, протекающего по виткам обмотки телефона: Ф cos2ωt приводит к нелинейным искажениям, так как сообщает мембране колебание с удвоенной частотой; Ф + Ф –постоянная сила, обеспечивает прогиб мембраны в сторону постоянных магнитов.
Если =0, то Ф − Ф cos2ωt, т. е. 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, протекающего по обмотке телефона при минимальных допустимых нелинейных искажениях (2…3%) и получения максимального акустического эффекта, т. е. максимальной чувствительности телефона На рис. 2.10. показан эскиз электромагнитного телефона с дифференциальной электромагнитной системой.
Рис. 2.10. Принцип устройства электромагнитного телефона с дифференциальной электромагнитной системой: 1 − цилиндрический постоянный магнит; 2 − полюсная надставка; 3 − якорь; 4 − мембрана из тонкой латунной фольги; 5 − обмотка.
В процессе преобразования энергии якорь находится под воздействием двух сил:
. (1.19)
. (1.20)
Следовательно, сила, действующая на якорь и приводящая в колебание мембрану, будет являться разностью этих сил:
. (1.21)
Из полученного выражения следует, что в телефоне с дифференциальной электромагнитной системой сила, приводящая в колебание якорь с частотой тока, протекающего по виткам обмотки телефона, больше аналогичной силы, действующей на мембрану телефона с простой электромагнитной системой, и отсутствует сила, вызывающая нелинейные искажения.
Чувствительностью телефона называется отношение звукового давления , развиваемого телефоном в камере искусственного уха, к величине действующего значения переменного напряжения , приложенного к его зажимам, измеряемого в паскалях на вольт (Па/В):
. (2.22)
На рис. 2.11 показаны частотные характеристики телефонов: ТК-47, ДЭМК-7Т, ТА-4 и ТК-67. Наибольшую неравномерность имеет характеристика старого капсюля ТК-47. Неравномерность характеристик обусловлена резонансом мембраны телефона, так как частота ее собственных колебаний находится в диапазоне 700…1000 Гц, и резонансом масс воздуха в акустических резонаторах акустической системы телефона.
Неравномерность частотной характеристики чувствительности телефона оценивается коэффициентом неравномерности, дБ:
, (2.23)
где и – максимальная и минимальная чувствительность для заданного диапазона частот .
Средняя чувствительность телефона используется для оценки качества преобразователя в заданном диапазоне частот:
(2.24) где n – число частот, на которых проводилось измерение .
Рис. 2.11. Частотные характеристики чувствительности телефонов.
Приведенная чувствительность используется для сравнения преобразователей с различными внутренними сопротивлениями.
Приведенная чувствительность телефона – это чувствительность, которую имел бы телефон, если бы модуль его входного сопротивления был равен 600 Ом при той же потребляемой мощности. Поэтому . Так как и , то , откуда:
(2.25)
Для выравнивания частотной характеристики чувствительности телефона в его механико-акустическую систему вводят акустическую перегородку, которая делит на две части объем воздуха под мембраной.
Угольный микрофон – необратимый активный преобразователь звуковых колебаний в электрические. 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.
Сопротивление угольного микрофона зависит от его состояния (статического при отсутствии звукового давления или динамического при его наличии), величины тока питания микрофона, положения микрофона в пространстве, конструкции угольной ячейки микрофона, сорта угольного порошка и расстояния между электродами.
В простейшем случае при воздействии на микрофон гармонического звукового колебания в условиях линейной зависимости сопротивления угольного порошка от изменения звукового давления сопротивление микрофона в динамическом состоянии:
, (2.26)
где – амплитуда переменной составляющей сопротивления микрофона; – среднее значение сопротивления микрофона в динамическом состоянии.
Изменение сопротивления микрофона под действием звукового давления представлено на рис. 2.12. В статическом состоянии микрофона сопротивление его практически также не остается постоянным, а претерпевает нерегулярные изменения, вызываемые непрерывным изменением контактных «мостиков» между угольными зернами порошка. Это приводит к образованию ЭДС собственного шума микрофона величиной 0,05…0,5 мВ. Электродвижущая сила собственного шума микрофона возрастает с увеличением статического сопротивления и тока питания микрофона.
Рис. 2.12. Сопротивление микрофона в статическом и динамическом режимах.
Статическое и динамическое сопротивления микрофона (см. рис. 2.13 и 2.12) с увеличением тока питания уменьшается, потому что уголь обладает отрицательным температурным коэффициентом, а нагревание угольных зерен приводит к созданию устойчивых контактных мостиков с пониженным сопротивлением. При больших токах питания может произойти спекание зерен и микрофон выйдет из строя.
Сорт угольного порошка также влияет на величину сопротивления микрофона, которое, в свою очередь, определяет его маркировку. Применяется угольный порошок двух сортов с диаметром зерен =0,2 и 0,35мм. Чем крупнее зерна, тем меньше сопротивление микрофона. Сопротивление низкоомных микрофонов (НО) составляет 30…65 Ом, ток питания 20…80 мА, а высокоомных (ВО) соответственно 145…300 Ом, 12…25 мА. Микрофоны НО устанавливаются в аппаратах МБ, а ВО– в аппаратах ЦБ.
Рис. 2.13. Зависимость сопротивлений и среднеомного микрофона от тока питания.
Нижний предел определяется минимально допустимыми чувствительностью и ЭДС микрофона, верхний – максимально допустимым уровнем собственного шума микрофона. Собственный шум угольного микрофона почти не оказывает влияния на качество передачи при напряжении, приходящемся на одно зерно угольного порошка в цепи между электродами ≤1 В.
Рис. 2.14. Схема включения микрофона на активную нагрузку.
На рис. 2.14 показана электрическая схема, в которой работает микрофон, нагруженный сопротивлением и находящийся под действием синусоидального изменяющегося звукового давления . Ток в микрофонной цепи:
. (2.27)
Отсюда видно, что микрофон в процессе преобразования энергии вносит в тракт передачи нелинейные искажения (15…20%). Для их снижения необходимо, чтобы было мало по сравнению с величиной , т. е. m <1. Громкий разговор увеличивает коэффициент модуляции, но снижает разборчивость речи. Для современных микрофонов m ≈0,2, поэтому:
Электродвижущая сила микрофона:
. (2.28)
Из выражения (2.28) видно, что величина пропорциональна току питания и амплитуде переменной составляющей сопротивления микрофона , которое в свою очередь зависит от звукового давления (рис. 2.15 а и б).
Рис.2.15. Зависимость ЭДС микрофона от тока питания (а) и звукового давления (б).
При небольших звуковых давлениях ЭДС микрофона меняется незначительно вследствие небольшого изменения сопротивления угольного порошка. Величина звукового давления =0,003 Па, при котором ЭДС начинает возрастать прямо пропорционально звуковому давлению, называется порогом чувствительности микрофона. Верхний предел звукового давления =10 Па, при котором ЭДС микрофона практически престает расти, характеризует перегрузку микрофона.
Чувствительностью микрофона называется отношение действующего значения ЭДС , В, развиваемой микрофоном, к звуковому давлению Р, Па, действующему на его мембрану и измеренному в той точке поля, в которой помещен микрофон:
. (2.29)
Рис. 2.16. Частотные характеристики чувствительности микрофонов.
Зависимость чувствительности микрофона от частоты при постоянной величине звукового давления называется характеристикой чувствительности микрофона (рис.2.16). Частотные характеристики микрофонов имеют неравномерный характер, обусловленный резонансными свойствами отдельных элементов микрофона. Максимальная чувствительность на частотах 1200…1600 Гц возникает вследствие совпадения частоты звуковых колебаний с собственной частотой колебания мембраны. Для обеспечения же относительно равномерного преобразования частот разговорного спектра микрофоны и телефоны конструируют таким образом, чтобы в диапазоне передаваемых частот минимальным значениям чувствительности телефона соответствовали бы максимальные значения чувствительности микрофона. Коэффициент неравномерности частотной характеристики чувствительности микрофона, дБ:
, (2.30)
где и – соответственно максимальная и минимальная чувствительности микрофона в заданном диапазоне частот. Микрофоны характеризуются средней чувствительностью в заданном диапазоне частот:
. (2.31)
Приведенная чувствительность – это чувствительность, которую имел бы микрофон при внутреннем сопротивлении 1 Ом и сохранении отдаваемой мощности.
С учетом сказанного можно записать:
. (2.32)
Поскольку , а при Р=1 ,
, (2.33)
откуда
. (2.34)
Качество угольного микрофона можно улучшить снижением нестабильности его параметров во времени и зависимости сопротивления микрофона Rм от положения его в пространстве, герметизацией угольного порошка, уменьшением амплитудно-частотных и нелинейных искажений. Сказанное достигается улучшением качества угольного порошка, подбором размеров и формы электродов и ячейки, совершенствованием акустической системы микрофона. Частотная характеристика чувствительности микрофона выравнивается путем улучшения акустической системы микрофона. Для усиления звуковых колебаний в той или иной области частот микрофон снабжается рупором.
Дата добавления: 2015-07-10; просмотров: 599 | Нарушение авторских прав