Конспект лекций. Микрофоны.

Начинаю конспект лекций по радиоэлектронике и теории связи. Первая статья посвящена микрофонам...

1.1 Классификация микрофонов

Микрофон - преобразователь акустических колебаний в электрический сигнал.
Микрофоны классифицируют :
1. По принципу электромеханического преобразования:
а) электродинамические

• динамические (катушечные);
• ленточные;

б) электростатические

• конденсаторные;
• пьезоэлектрические;

в) электромагнитные
г) релейные.
2. По принципу приема звука:
а) приемники звукового давления в них звуковоспринимающий элемент (диафрагма Д) открыт для воздействия звуковых волн только с одной стороны (рисунок 1, а);
б) приемники градиента звукового давления в них звуковоспринимающий элемент открыт для воздействия звуковых волн с двух сторон (рисунок 1, б);
в) комбинированные приемники представляют собой сочетание двух микрофонов, расположенных в непосредственной близости друг от друга. Они подразделяются на:

• электрически комбинированные они состоят из двух самостоятельных микрофонов, расположенных близко друг к другу и соединенных между собой электрически;
• акустически комбинированные выполняются таким образом, чтобы диафрагма была открыта для воздействия звуковых волн полностью с одной стороны и частично с другой (рисунок 1, в).

1.2 Характеристики микрофонов

Чувствительность ¾ отношение напряжения на выходе микрофона к звуковому давлению, действующему на микрофон.
Стандартный уровень чувствительности ¾ отношение напряжения, развиваемого на номинальном сопротивлении при звуковом давлении 1 Па, к напряжению соответствующему мощности 1 мВт

Частотная характеристика ¾ зависимость стандартного уровня чувствительности от частоты.
Уровень собственного шума  ¾ выраженное в децибелах отношение напряжения шума, развиваемого микрофоном в отсутствии звука, к напряжению при звуковом давлении 0,1 Па.
Характеристика направленности ¾ зависимость чувствительности микрофона в свободном поле от угла Q между рабочей осью микрофона и направлением на источник звука. Рабочая ось микрофона  ¾ это направление, с которого чувствительность максимальная. Графическим изображением характеристики направленности является диаграмма направленности. Диаграммы направленности для различных микрофонов представлены на  рисунке 2.

1.3 Конструкция микрофонов

Электродинамические катушечные микрофоны.
Данные микрофоны могут быть выполнены как приемники звукового давления, так и приемники градиента звукового давления.
Микрофон (рисунок 3) состоит из подвижной и магнитной систем.

Подвижную систему составляют диафрагма куполообразной формы 3, звуковая катушка 4, расположенная в зазоре магнитной цепи, гофрированный подвес 5, с помощью которого диафрагма крепится к магнитной системе, отверстия 2 в полюсном наконечнике подают звуковые колебания к тыльной стороне диафрагмы (в приемниках градиента звукового давления). Магнитная система состоит из полюсного наконечника 1, магнита 7, магнитопровода 8 и верхнего фланца. Микрофон располагается в корпусе с отверстием, затянутым защитной сеткой, для предохранения диафрагмы от повреждений.

При воздействии звуковых колебаний диафрагма вместе со звуковой катушкой колеблются в радиальном магнитном поле, созданном магнитной системой в кольцевом воздушном зазоре между верхним фланцем и  полюсным наконечником. В результате в звуковой катушке индуцируется ЭДС которая пропорциональна воздействующим звуковым колебаниям. Гофрированный подвес используется для увеличения чувствительности микрофона.
Конструкция акустически комбинированного динамического микрофона, аналогична приемнику звукового давления, с той лишь разницей, что для подачи звуковых колебаний к тыльной стороне диафрагмы в корпусе и магнитной системе имеет отверстие 2  (рисунок 4).

Чувствительность динамических микрофонов 1,6 - 2 мВ/Па, стандартный уровень чувствительности –58 дБ, неравномерность частотной характеристики 12 дБ. Для уменьшения неравномерности частотной характеристики применяют резонансную систему, состоящую из массы воздуха в каналах 2. Усложнение конструкции позволяет расширить частотный диапазон до 50 - 10 000, 15 000 Гц. Динамические микрофоны обозначаются буквами МД.

Электродинамические ленточные микрофоны.
Электродинамический ленточный микрофон приемник градиента звукового давления  представлен на рисунке 5.

Он состоит из гофрированной алюминиевой ленточки 3, выполняющей роль звуковоспринимающего элемента и проводника. Ленточка подвешена на изолирующих планках 4 в зазоре между полюсными наконечниками 2 магнита 1.
Ленточка колеблется под воздействием разностной силы в линейном магнитном поле, в результате чего в ней наводится ЭДС. Алюминиевая ленточка имеет малое электрическое сопротивление при котором ЭДС, возникающая на концах ленточки, составляет несколько микровольт. Для повышения напряжения , а также для согласования сопротивления ленточки с сопротивлением нагрузки в конструкцию микрофона входит повышающий трансформатор с коэффициентом трансформации более 50. Применение гибкой ленточки увеличивает чувствительность микрофона и уменьшению искажений. Для получения равномерной частотной характеристики в конструкции микрофона используют электрической коррекции дроссель L включенный параллельно первичной обмотке трансформатора. Параметры ленточных микрофонов примерно одинаковы с динамическими, в полосе частот 50 ¸ 15000 Гц можно получить неравномерность частотной характеристики 8 дБ. Ленточные микрофоны обозначаются буквами МЛ. 
Конденсаторные микрофоны.
Конденсаторный микрофон представлен на рисунке 6.

Он состоит из капсюля, представляющего собой конденсатор с воздушным диэлектриком
Один из электродов конденсатора массивный 2, а второй - тонкая натянутая мембрана 1. К конденсатору через резистор R, приложено поляризующее напряжение U0. При воздействии на мембрану звуковых колебаний изменяется расстояние между электродами, а соответственно, и емкость конденсатора и напряжение на нем. В результате пропорционально звуковому давлению изменяется напряжение на резисторе R.
Чувствительность микрофона достигает 10 мВ/Па.

Разновидностью конденсаторных микрофонов являются электретные. В этих микрофонах отсутствует отдельный источник поляризующего напряжения. Источником этого напряжения служит мембрана, которая выполнена из полимерного материала - электрета, являющегося диэлектриком, он способен в сильных электрических полях и при высокой температуре заряжаться и сохранять электрический заряд продолжительное время.

Конденсаторные микрофоны имеют высокую чувствительность, равномерную частотную характеристику (не более 6 дБ в диапазоне частот 50 ¸ 15000 Гц). Конденсаторные микрофоны обозначаются буквами МК, электретные - МКЭ.