4.3 Приемники звука
Приемники
звука – это акустические приборы для восприятия звуковых сигналов и
преобразования их с целью измерения, анализа, усиления, записи, передачи или
воспроизведения.
Приемниками
звука являются органы слуха животных и человека, преобразующие акустические
сигналы в нервные импульсы, передаваемые в соответствующие центры головного
мозга.
В
данном разделе мы будем рассматривать микрофоны, предназначенные для
преобразования акустических сигналов в электрические. Микрофоны широко
применяются в телефонной связи, радио- и телевещании, системах звукоусиления и
звукозаписи.
Рассмотрим устройство и принцип действия некоторых типов микрофонов.
Угольный
микрофон
Это
простейший микрофон (рисунок а), который долгое время использовался в телефонных
трубках. Его диафрагма 1, воспринимающая звуковое давление, колеблется, изменяя
степень уплотнения и, следовательно, электрическое сопротивление угольного
порошка 2, находящегося в прилегающей к диафрагме капсуле. В результате
возникают соответствующие изменения тока, протекающего между электродами 3 и
4.
Такие
микрофоны несовершенны: нестабильны в работе, создают искажения, подвержены
перегрузке.
Электромагнитный
микрофон
Электромагнитный
микрофон (рисунок б) работает следующим образом: перед полюсами (полюсными
наконечниками) 2 магнита 3 располагают ферромагнитную диафрагму 1 или
скрепленный с ней якорь. При колебаниях диафрагмы под воздействием на нее
звукового давления меняется магнитный поток через витки обмотки, намотанной на
магнитопровод системы. Благодаря этому на зажимах обмотки возникает переменное
напряжение звуковой частоты, являющееся выходным сигналом микрофона.
Электромагнитный
микрофон стабилен в работе. Однако для него характерны узкий частотный диапазон,
неравномерность частотной характеристики и значительные нелинейные
искажения.
Электродинамические
микрофоны
В
катушечном электродинамическом
микрофоне (рисунок в) с диафрагмой 4 связана катушка 3, расположенная в
кольцевом зазоре 1 сильного магнита 2. При колебаниях диафрагмы катушка движется
в магнитном поле и в ней возникает э.д.с. индукции, создающая переменное
напряжение на зажимах катушки.
Схема
ленточного электродинамического микрофона приведена на
рисунке г. Здесь магнитная система микрофона состоит из постоянного магнита 1 и
полюсных наконечников 2, между которыми натянута легкая, обычно алюминиевая,
тонкая ленточка 3. При воздействии на обе ее стороны звукового давления
возникает сила, под действием которой ленточка начинает колебаться, пересекая
при этом магнитные силовые линии, вследствие чего на ее концах развивается
напряжение. Так как сопротивление ленточки очень мало, то для уменьшения падения
напряжения на соединительных проводниках напряжение, развиваемое на концах
ленточки, подается на первичную обмотку повышающего трансформатора, размещенного
непосредственно вблизи ленточки. Напряжение на зажимах вторичной обмотки
трансформатора является выходным напряжением микрофона.
Электродинамические
микрофоны имеют сравнительно небольшие габариты, обладают равномерной частотной
характеристикой и надежны в эксплуатации. Они широко используются в системах
звукоусиления и звукозаписи.
Конденсаторный
микрофон
В
конденсаторном микрофоне (рисунок д) металлическая мембрана 1 является одной из
обкладок конденсатора. Другая обкладка представляет собой массивный неподвижный
электрод 2. Конденсатор подключен к
источнику постоянного напряжения. Под действием звукового давления мембрана
колеблется, и расстояние между ней и массивным электродом изменяется. При этом
меняется емкость конденсатора, обкладками которого они являются, и в цепи
возникает электрический ток, сила которого изменяется в соответствии со
звуковыми колебаниями.
Такие микрофоны имеют небольшие размеры, равномерную частотную характеристику и обладают высокой чувствительностью. Они широко используются в качестве измерительных микрофонов, а также в высококачественных системах звукоусиления и звукозаписи.
Развитие современных полупроводниковых технологий позволило разработать сверхминиатюрные дешевые микрофоны - так называемые МЭМС микрофоны (МЭМС - сокращение термина микроэлектромеханические системы). Такие микрофоны называют также микрофонными чипами или кремниевыми микрофонами. По принципу действия они напоминают конденсаторные микрофоны, но и подвижная мембрана, и неподвижный электрод формируются путем напыления металла на кремниевую подложку. К преимуществами МЭМС микрофонов кроме малых размеров можно отнести стабильность работы, равномерную частотную характеристику и высокую чувствительность. Кроме того в этот же микрофонный чип можно интегрировать усилители, аналого-цифровые преобразователи, цифровые процессоры и другие компоненты. Все это привело к широкому использованию таких микрофонов в сотовых телефонах, смартфонах, ноутбуках и других электронных устройствах.
Пьезоэлектрический
микрофон
Основой
такого микрофона (рисунок е) служит пластинка из пьезоэлектрического материала.
Пьезоэлектрики – это вещества, в
которых при сжатии или растяжении возникает электрическое поле. Самыми
распространенными природными пьезоэлектриками являются кварц и сегнетова соль.
Кроме того, в настоящее время создано множество искусственных пьезоэлектрических
материалов (пьезокерамика).
В
микрофонах пьезоэлектрическую пластинку 3 помещают между металлическими
электродами. Звуковые волны, действуя на пьезопластинку, через диафрагму 1 и
скрепленный с ней стержень 2, вызывают появление между электродами изменяющегося
в соответствии со звуковым давлением напряжения.
Пьезоэлектрические
микрофоны имеют очень небольшие размеры, высокую чувствительность и широко
используются в современных телефонах, слуховых аппаратах и так далее.