Выполнил студент группы 09-ОЗИ2
Петин А.А.

Акустоэлектрические преобразователи

Введение

Акустоэлектрический преобразователь - это устройство, преобразующее акустическую энергию (т. е энергию упругих волн в воздушной среде) в электромагнитную энергию в схемах тех устройств, в которых находятся акустоэлектрические преобразователи (или наоборот, энергию электромагнитных волн в акустическую). Из окружающих нас устройств наиболее известны такие электроакустические преобразователи как системы звукового вещания, телефоны, из акустоэлектрических - микрофоны. Следует учитывать, что в большинстве электроакустических преобразователей имеет место двойное преобразование энергии - электромеханическое, в результате которого электрическая энергия, подводимая к преобразователю переходит в энергию колебаний механической системы (например, диффузор динамика), колебание которой и создает в среде звуковое поле.
По своей природе электроакустические преобразователи часто сравнивают с микрофонным эффектом.
Микрофонный эффект - появление в цепях радиоэлектронной аппаратуры посторонних (паразитных) электрических сигналов, обусловленных механическими воздействиями (звуком, сотрясениями, вибрациями и т.п.). Свое название микрофонный эффект получил по аналогии с соответствующими процессами, происходящими в микрофоне. Наиболее сильно микрофонный эффект проявляется при работе электронных приборов (в усилителях электрических колебаний звуковых частот, супергетеродинных приемниках и т.п.). 1, c.5-6

Немного об истории

Микрофон — если это, так сказать, ярко выраженный микрофон, вроде тех, которыми пользуются журналисты и музыканты, может быть самой заметной вещью в доме. Тот же самый инструмент, впрочем, есть в любой телефонной трубке, и при этом про него как-то не вспоминают. Откуда взялось это устройство и его название?
Собственно, первым термин «микрофон» предложил использовать британский изобретатель Сэр Чарльз Уитстоун (Charles Wheatstone) в 1827 году. Его нехитрый инструмент для усиления слабых звуков — две тонкие рейки, сообщавшие механические колебания ушам, не имел ничего общего с тем, что теперь называется микрофоном. Ничего, кроме названия.
Микрофон как устройство для преобразования акустического сигнала в электрический с сохранением волновых характеристик — появился в 1876 году. Правда, назывался он совершенно иначе — liquid transmitter (жидкостный передатчик).
Считается, что впервые человеческая речь была передана с его помощью вечером 10 марта 1876 года. Александр Бэлл (Alexander Bell), изобретатель телефона, умудрился разлить некоторое количество кислоты, которая использовалась в передатчике, и ему пришлось звать со второго этажа своего ассистента — Томаса Уотсона (Thomas Watson): «Мистер Уотсон, подойдите пожалуйста, вы мне нужны».
По легенде, поскольку линия была односторонней, Уотсон сбежал вниз и закричал: «Мистер Бэлл, я чётко слышал каждое сказанное вами слово».

По некоторым сведениям, впрочем, это не совсем правда. Данная версия «микрофона» использовалась Бэллом уже намного позднее, во время экспериментов с передатчиками на основе переменного сопротивления.
На самом же деле Бэлл использовал довольно грубое устройство, которое Уотсон собрал после возвращения Бэлла из Вашингтона, где он получил свой второй патент в сфере развития телеграфка (патент номер 174465, выдан 7 марта 1876 года). Принцип работы жидкостного передатчика достаточно прост. В трубообразный резервуар налито немного воды, на которой «плавает» пергаментная диафрагма. К диафрагме присоединён провод — так, чтобы лишь едва соприкасаться с водой. В воду добавлено небольшое количество кислоты, чтобы улучшить её электропроводимость. 2

Когда человек что-то говорит в трубку, диафрагма начинает колебаться, так что провод соприкасается с водой то больше, то меньше. Соответственным образом изменяется сопротивление электрической цепи. При качественной сборке, жидкостный передатчик оказывался весьма чувствительным.
Микрофоны могут быть классифицированы по различным признакам:
• по принципу преобразования акустических (звуковых волн) в электрические;
• по способу воздействия звуковых волн на диафрагму микрофона,
• по конструкторскому исполнению;
• по признакам характеристики направленности;
• по электрическим параметрам и т.п.
По признаку преобразования акустических колебаний микрофоны подразделяются на:
1) Электродинамические;
2) Электромагнитные;
3) Электростатические;
4) Угольные;
5) Пьезоэлектрические 3.

Электродинамические микрофоны

«Электродинамические микрофоны по конструкции могут быть как катушечного, так и ленточного типа. В катушечном микрофоне диафрагма жестко связана с катушкой, на которую намотана тонкая проволока. При воздействии звуковой волны на диафрагму катушка движется в кольцевом зазоре магнитной системы, возбуждая напряжение. В радиовещании данный тип микрофонов считается очень надежным, с достаточным частотным диапазоном, и используется в качестве приемника давления. В микрофоне ленточного типа роль катушки заменяет ленточка из алюминиевой фольги, являющаяся одновременно и приемником, и проводником. На любую из сторон ленточки могут воздействовать звуковые волны, поэтому данный микрофон относится к типичному приемнику градиента давления. Эти микрофоны обеспечивают хорошее качество звучания даже при записи музыкальных передач (широкий частотный диапазон). 4.
В электродинамических микрофонах преобразование звука в электросигнал происходит следующим образом. Под воздействием акустического сигнала колеблется мембрана, которая в свою очередь вызывает колебания «звукового кольца» — собственно говоря, это подвижная обмотка магнита.Колебания обмотки в магнитном поле образует электрические сигналы, соответствующие акустическим.
Динамические микрофоны довольно надёжны и крепки — во всяком случае, крепче конденсаторных. Поэтому их, в основном, и используют на концертах (ведь среди музыкантов до сих пор немало любителей покидаться подручными предметами). Но в связи с тем, что масса подвижных элементов в динамических микрофонах больше, чем в конденсаторных, их чувствительность заведомо ниже. Некоторые музыканты потому и предпочитают динамические микрофоны конденсаторным. Микрофоны второго типа имеют тенденцию записывать звук как он есть, так что все огрехи и недостатки вылезают наружу. С другой стороны, динамические микрофоны уже вызывают ассоциации с более «жирным» концертным звучанием. Поэтому даже те, кто способен петь «вживую» безупречно, например, Боно, лидер американской рок-группы U2, предпочитают даже в студии использовать динамические микрофоны.

Электромагнитные микрофоны

Электромагнитные микрофоны, в отличие от электродинамических, имеют закреплённый на мембране постоянный магнит и неподвижную катушку. Благодаря отсутствию жёстких требований к массе катушки (характерном для динамических микрофонов) такие микрофоны делались высокоомными, а также порой имели многоотводные катушки, что делало их более универсальными. Такие микрофоны, наряду с пьезоэлектрическими, позволили создать эффективные слуховые аппараты, а также ларингофоны (устройство, аналогичное микрофону, но использующее механические колебания кожи в области гортани, возникающие при разговоре). 5.

Электростатические микрофоны

Электростатические микрофоны в свою очередь делятся на конденсаторные и электретные.
а) В конденсаторных микрофонах натянутая мембрана под действием звукового давления движется относительно неподвижного электрода. Электрод и мембрана являются как бы (вернее не как бы, а именно являются) обкладками конденсатора. Для работы всех конденсаторных микрофонов требуется электропитание (к обкладкам конденсатора, то бишь к мембране и электроду, подводится постоянный ток). Мембрана движется, емкость такого конденсатора меняется пропорционально движению мембраны, в цепи возникает переменный электрический ток, пропорциональный звуковому давлению.
В 1947 году компания AKG представила первый конденсаторный микрофон модели C1. Таких микрофонов было выпущено всего шесть штук. Вообще же считается, что конденсаторные микрофоны были придуманы ещё в 1920-е, но до 1962 года, когда в 1962 году компания Bell Labs не начала выпускать свою версию таких микрофонов, особой популярностью они не пользовались. К концу 1970-х годов приблизительно треть всех выпускаемых в мире микрофонов были конденсаторными. В отличие от динамического микрофона, конденсаторный требует дополнительного питания. В роли конденсатора выступает воздушная прослойка между пластиковой и позолоченной керамической пластинами. На диафрагму подаётся постоянный ток напряжением от 9 до 48 вольт, причём источником питания могут служить как батарейки в самом корпусе микрофона, так и устройство, в которое микрофон воткнут. Так же как и в динамическом микрофоне, мембрана колеблется под воздействием акустического сигнала, что соответственным образом влияет на заряд подложки. Заряд очень мал, так что для увеличения амплитуды сигнала используется транзисторный усилитель.
б) Электретный микрофон - это тот же конденсаторный. Его принцип работы и устройство аналогично, но он более эффективно преобразует звук. Эффективность возрастает за счет того, что мембрана и электрод делаются из материала, способного долгое время сохранять электрический заряд (такой материал называется электретным, отсюда название типа микрофона). Сфера применения электретных микрофонов?! Конденсаторный электретный микрофон предназначен для звукозаписи, звукопередачи и звукоусиления речи в составе комплекта, отдельно передающего устройства радиоэлектронной аппаратуры. Отдельно, хочется отметить применение чувствительных электретных микрофонов в бытовой телефонии, приемно-передающих устройствах (радиостанциях), телефонах сотовой связи, передающих устройствах громкой связи.
Характерно подключение микрофонов данного типа к охранной системе, что позволяет прослушивать помещения, совершив звонок на модем, установленный в контроллере. Максимальное расстояние передачи звуковой информации таких микрофонов до 1км.
Установка микрофонов в переносные магнитолы позволяет осуществлять запись информации на встроенные магнитные носители.
Высокая чувствительность электретных микрофонов характерна для применения их в любительских и профессиональных видеокамерах, параллельно осуществляя запись звуковых эффектов с видеосъемкой.
Отличительной способностью пользуются микрофоны в конференц-залах, системах оповещения служебных помещений, диспетчерской связи.
Ну, и, конечно, практически незаменимы для студийной записи. Чувствительный электретный конденсатор воспринимает каждую деталь акустики для совершенного воспроизведения звука и студийного качества. Можно смело перечислять волшебные качества электретного микрофона до бесконечности, но все, же лучше проверить его действие на практике. 2.

Угольные микрофоны

Угольный микрофон — один из первых типов микрофонов. Угольный микрофон содержит угольный порошок, размещённый между двумя металлическими пластинами и заключённый в герметичную капсулу. Стенки капсулы или одна из металлических пластин соединяется с мембраной. При изменении давления на угольный порошок изменяется площадь контакта между отдельными зёрнышками угля, и, в результате, изменяется сопротивление между металлическими пластинами. Если пропускать между пластинами постоянный ток, напряжение между пластинами будет зависеть от давления на мембрану.

В 1856 году француз Дю Монсель (Du Moncel) опубликовал результаты своих исследований, из которых следовало, что графитовые электроды обладают способностью отвечать значительным изменением электрического сопротивления при небольшом изменении площади соприкосновения проводников. Данное свойство стало основой для различных вариантов конструкций микрофонов.
Первый угольный микрофон построил американский изобретатель Эмиль Берлинер 4 марта 1877 года. Однако, развитие получил микрофон американского изобретателя Дэвида Юза (англ. David Hughes) в мае 1878 года. Микрофон Юза содержал угольный стержень с заострёнными концами, упиравшийся в две угольные же чашечки, и соединённый с подвижной мембраной. Площадь контакта угольного стержня с чашечками сильно менялась при колебаниях мембраны, соответственно менялось и сопротивление угольного микрофона, а с ним и ток в цепи. Микрофон Юза совершенствовался многими изобретателями. Весьма значительно усовершенствовал этот тип микрофонов Эдисон (в частности, он предложил использовать угольный порошок вместо угольного стержня, т.е. изобрёл новый вид угольного микрофона с угольным порошком). Автор наиболее прижившейся конструкции угольного микрофона — Энтони Уайт (1890).

Угольный микрофон практически не требует усиления сигнала, сигнал с его выхода можно подавать непосредственно на высокоомный наушник или громкоговоритель. Из-за этого свойства угольные микрофоны использовались до недавнего времени в телефонных аппаратах, их использование освобождало телефонный аппарат от дорогостоящих и дефицитных в то время полупроводниковых деталей либо громоздких, хрупких и энергоёмких усилителей на радиолампах. Классический телефонный аппарат с дисковым номеронабирателем обычно содержал угольный микрофон (однако, в аппаратах более поздних лет выпуска часто применяются динамические или электретные микрофоны, часто объединенные в единую конструкцию с усилителем, взаимозаменяемую с угольным микрофоном).
Однако угольный микрофон отличается плохой амплитудно-частотной характеристикой и узкой полосой пропускания (он нечувствителен к слишком низким и слишком высоким частотам), высоким уровнем шумов и искажений. Кроме того, в отличие от наиболее распространённого динамического микрофона, угольный требует питания постоянным током. Сейчас появились дешёвые и доступные полупроводниковые устройства, которые позволяют использовать микрофоны других типов. Поэтому в современных устройствах угольные микрофоны практически не применяются. 6.

Пьезоэлектрические микрофоны

Основой микрофона пьезоэлектрической системы является пьезоэлемент ( Пьезоэлементы —кристаллы, обладающий свойством при сжатии продуцировать электрический заряд), на который воздействуют звуковые волны (либо непосредственно, либо через мембрану), в результате чего на нем возникают напряжения, изменяющиеся в такт изменениям звукового давления. Микрофон этой системы характеризуется простотой конструкции и достаточно хорошей частотной характеристикой. Однако он чувствителен к воздействию температуры и влаги. Микрофоны этой системы бывают двух конструкций: ячейковой и мембранной. Ячейковый микрофон состоит из двух пьезоэлементов, разделенных между собой прокладкой из вязкого материала. Вся ячейка заклеивается снаружи тонкой бумагой. Воздушные звуковые волны воздействуют непосредственно на пьезоэлемент. Микрофон ячейковой конструкции характеризуется довольно низкой чувствительностью.
Мембранный микрофон состоит из диффузора, выполненного из бумаги или тонкой алюминиевой фольги, скрепленной с пьезоэлементом. Звуковое давление воздействует на диффузор, а через него на пьезоэлемент. Чувствительность у мембранного микрофона значительно выше, чем у ячейкового. Благодаря своей большой чувствительности и небольшим размерам пьезомикрофона находит применение в переносных рациях, в аппаратах для тугоухих и других приборах. Соединив пьезомикрофон с телефоном парой проводов, можно получить безбатарейную телефонную связь. Такого рода устройства нашли широкое применение в диспетчерской связи, в особенности на железных дорогах, где под рукой имеются необходимые постоянные линии. По своим электроакустическим и эксплуатационным свойствам пьезомикрофоны не могут обеспечить требований, предъявляемых к профессиональным студийным и трансляционным микрофонам. Однако такие их достоинства, как простота устройства, малый вес и габариты, а также небольшая стоимость, определили их приме¬нение в любительских устройствах и некоторых типах промышлен¬ной недорогой аппаратуры. Так, например, в слуховых аппаратах для тугоухих применялись газоэлектрические микрофоны с пластин¬ками из кристаллов сегнетовой соли, отличающиеся простотой кон¬струкции, малым габаритом и весом, дешевизной и относительно высокой чувствительностью. Эти качества долгое время обеспечива¬ли почти исключительное применение их в слуховых аппаратах с усилителем на миниатюрных радиолампах.
К недостаткам пьезомикрофонов следует отнести высокое внут¬реннее сопротивление, имеющее емкостный характер, значительную неравномерность частотной характеристики, недостаточную эксплуа¬тационную надежность (хрупкость, гигроскопичность) и зависимость параметров от температуры.

Заключение

Хотелось бы отметить, что каждый из типов преобразователей хорош по-своему, у каждого из них есть свои плюсы и минусы, а так же предпочтительная область применения. Электродинамические микрофоны чаще всего используют для голосовых записей и трансляций аудио, видео, радиопередач. Электромагнитные микрофоны благодаря своей компактности и удобству нашли применение в слуховых аппаратах. Конденсаторные микрофоны из-за нужды в дополнительном источнике питании, имеют ограниченную применимость. Чувствительный электретный конденсатор воспринимает каждую деталь акустики и является незаменимым девайсом, если вы хотите добиться совершенного воспроизведения звука и студийного качества. Угольные микрофоны практически не используются в современных устройствах, т.к. им необходим источник постоянного тока, в то же время угольный микрофон практически не требует усиления сигнала, сигнал с его выхода можно подавать непосредственно на высокоомный наушник или громкоговоритель. Из-за этого свойства угольные микрофоны использовались до недавнего времени в телефонных аппаратах, их использование освобождало телефонный аппарат от дорогостоящих и дефицитных в то время полупроводниковых деталей либо громоздких, хрупких и энергоёмких усилителей на радиолампах. Что касается пьезоэлектрических преобразователей, то они в силу особенностей своего строения не способны обеспечить требования, предъявляемые к студийным микрофонам, однако такие их достоинства, как простота устройства, малый вес и габариты, а также небольшая стоимость, определили их приме¬нение в любительских устройствах и некоторых типах промышлен¬ной недорогой аппаратуры.

Список литературы

1. Халяпин Д.Б., Ярочкин В.И. Основы защиты информации (учебное пособие). М.: ИПКИР, 1994 г. 303 с. (дата обращения: 27.05.2011)
2. Membeana.ru URL: http://www.membrana.ru/particle/2583 (дата обращения: 27.05.2011)
3. Dinamotimal.ru URL: http://dinamotimal.ru/din/400/1/index.shtml (дата обращения: 27.05.2011)
4. Fotomag.com.ua URL: http://fotomag.com.ua/tg/topic/klassifikaciya-mikrofonov-chast-1-167959.html (дата обращения: 27.05.2011)
5. Vse-znaykin.ru URL: http://www.vse-znaykin.ru/mikrofon.php (дата обращения: 27.05.2011)
6. Wikipedia.org URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/Угольный_микрофон (дата обращения: 27.05.2011)
7. Vvxv.ru URL: http://vvxv.ru/pezoelektricheskie-mikrofony.html (дата обращения: 27.05.2011)