7.3.2 Принцип действия электродинамических, конденсаторных и пьезоэлектрических микрофонов

1. Электродинамический микрофон (рис. 7.9).

Р ис. 7.9. Устройство электродинамического микрофона

Электродинамический микрофон состоит из следующих элементов: 1 – шайба шелковая; 2 – диафрагма; 3 – шайба гофрированная; 4 – фланец верхний; 5 –катушка индуктивности; 6 –шайба немагнитная; 7 – магнит постоянный; 8 – керн; 9 – фланец нижний.

Акустические колебания преобразуются в электрические в результате воздействия на мембрану с жестко закрепленной катушкой звуковых колебаний. Катушка перемещается вдоль оси микрофона перпендикулярно радиальному магнитному полю в воздушном зазоре, в результате в катушке появляется ЭДС. Чувствительность у такого микрофона выше, чем у угольного, и составляет 11,5 мВ/Па при f=5016000 Гц.

2. Конденсаторный микрофон (рис. 7.10).

Рис. 7.10. Устройство конденсаторного микрофона

Конденсаторный микрофон состоит из следующих частей: 1 – мембрана; 2 – керамический корпус; 3 – изолирующее кольцо; 4 – металлокерамический фильтр.

Жестко натянутая мембрана под действием звуковых колебаний совершает колебательные движения относительно неподвижного электрода. Элементы микрофона (1) и (4) – конденсатор с переменной емкостью.

Чувствительность конденсаторных микрофонов больше, чем у электродинамических, и составляет 525 мВ/Па при f=2020000 Гц.

3. Пьезоэлектрический микрофон(рис. 7.11) состоит из следующих элементов: 1 – диафрагма; 2 – стержень; 3 – пьезоэлектрический элемент.

Рис. 7.11. Устройство пьезоэлектрического микрофона

Пьезоэлектрический элемент преобразует механические колебания в электрические сигналы. Характеристики пьезоэлектрических и конденсаторных микрофонов различаются незначительно.

Кроме микрофонов также используются ларингофоны – устройства, преобразующие механические колебания голосовых связок в электрический сигнал.

7.3.3 Электромагнитный телефон

Телефон преобразует речевой сигнал в звуковые колебания. По принципу действия электроакустические преобразователи делятся на электромагнитные, электродинамические, электростатические (конденсаторные) и пьезоэлектрические. Эти преобразователи могут работать и в качестве микрофонов, то есть это обратимые преобразователи.

Различают электромагнитные телефоны с простой и дифференциальной магнитной системой. Рассмотрим принцип действия электромагнитного телефона с простой магнитной системой.

Принцип действия электромагнитного телефона основан на взаимодействии магнитных потоков, создаваемых постоянным магнитом и электромагнитом телефона. В результате изменяется сила, действующая на мембрану.

Приведем устройство капсюльного электромагнитного телефона (рис. 7.12). В состав электромагнитного телефона входят: 1 – мембрана; 2 – полюсные надставки; 3 – полукольцевые постоянные магниты; 4 – электрообмотка. Мембрана телефона изготовлена из магнитомягкого материала. Под воздействием постоянного магнита, создающего магнитный поток φ₌, мембрана находится в притянутом состоянии. Когда в обмотку телефона поступает переменный ток, образуется переменный магнитный поток φ_≈. Мембрана, находящаяся под воздействием суммарного магнитного потока, величина которого изменяется, совершает колебательные движения.

Рис. 7.12.Устройство электромагнитного телефона

Сила притяжения мембраны прямо пропорциональна квадрату магнитного потока

, (7.9)

где k – коэффициент пропорциональности.

Из этого выражения следует, что мембрана телефона совершает колебания с частотой ω (член 2φφ₌ksinωt) и с удвоенной частотой 2ω (член φ²kcos2ωt). Последний член вносит нелинейные искажения. В реальных телефонах φ₌/φ>1000, и вторым членом можно пренебречь по сравнению с первым. В современных телефонах электромагнитного типа величина нелинейных искажений составляет (2÷3)%.

Рассмотрим электромагнитный телефон с дифференциальной электромагнитной системой (рис. 7.13).

Рис. 7.13. Устройство телефона с дифференциальной электромагнитной системой

Этот телефон состоит из следующих элементов: 1 – постоянный магнит; 2 – полюсная надставка; 3 – якорь; 4 – мембрана; 5 – обмотка.

На якорь телефона действует две силы:

(7.10)

.

Колебания мембраны определяются взаимодействием этих сил

. (7.11)

Таким образом, выражение для силы, колеблющей мембрану, не содержит слагаемого с двойной частотой. Поэтому телефоны с дифференциальной системой не вносят нелинейных искажений при передаче, а также имеют более высокую чувствительность, чем телефоны с простой электромагнитной системой.

Телефоны с дифференциальной электромагнитной системой сложнее и дороже телефонов с простой электромагнитной системой, поэтому они не применяются в телефонных аппаратах общего назначения.

Эксплуатационные параметры телефона.

1. Чувствительность телефона , [Па/В], где Р – звуковое давление, U_T – действующее значение переменного напряжения, приложенного к зажимам телефона.

2. Частотная характеристика чувствительности телефона S_T(f) (рис. 7.14).

Рис. 7.14. Частотная характеристика чувствительности

3. Неравномерность частотной характеристики , [дБ]. Телефон ТК-67 имеет неравномерность ΔS_T=20 дБ, ДЭМК-7Т – ΔS_T=8 дБ.

4. Средняя чувствительность в заданном диапазоне частот

. (7.12)

У телефона ТК-67 S_Тср=15 Па/В, у ДЭМК-7Т – S_Тср=20 Па/В.

5. Приведенная чувствительность телефона – это чувствительность, которую имел бы телефон, если бы модуль его входного сопротивления был равен 600 Ом при той же потребляемой мощности,

, (7.13)

где Z_T – сопротивление телефона. Этот параметр используется для сравнения телефонов с учетом потребляемой мощности.