Микрофоны

Микрофоны обеспечивают преобразование акустических колебаний воздушной среды в электрические сигналы. По способу преобразования они подразделяются на угольные, электромагнитные, электродинамические, конденсаторные, пьезоэлектрические и другие типы. Основными характеристиками микрофонов являются: чувствительность, частотная характеристика чувствительности, амплитудная характеристика, характеристика направленности, уровень собственных шумов.

Чувствительность микрофона Е_м — это отношение эффективного напряжения u_вых на выходе микрофона к звуковому давлению р, действующему на микрофон от источника чистого тона с частотой F =1000 Гц, размещенного на рабочей оси микрофона. Чувствительность определяется выражением

(3.1)

Рабочей осью микрофона называется прямая, совпадающая с направлением преимущественного использования микрофона и проходящая через центр его рабочей поверхности (мембраны). Определение чувствительности производится или по напряжению на номинальной нагрузке, которая равна модулю внутреннего сопротивления микрофона на частоте F = 1000 Гц,

или в режиме холостого хода. Часто чувствительностьвыражается в децибелах следующим образом:

(3.2)

где Е_м0 =1В/Па — нулевой уровень чувствительности.

В качестве характеристики чувствительности микрофонов используют также величину его отдачи. Отдача микрофона определяется как значение эффективного напряжения, развиваемого микрофоном на согласованной нагрузке, равной модулю полного сопротивления микрофона на частоте F =1000 Гц при звуковом давлении p =1 Па. Для сравнения характеристик микрофонов с различным внутренним сопротивлением пользуются стандартным уровнем чувствительности, который определяется как отношение отдачи микрофона к напряжению, соответствующему развиваемой на согласованной нагрузке мощности в 1 мВт.

Частотная характеристика чувствительности микрофона определяет зависимость его чувствительности от частоты звукового давления (Е_м = f(F) при р = const). Отношение максимальной чувствительности к минимальному ее значению в номинальном диапазоне частот микрофона, выраженное в децибелах, определяет неравномерность частотной характеристики. Полоса частот, в пределах которой обеспечиваются заданные параметры микрофона, называется его номинальным диапазоном частот.

Амплитудная характеристика микрофона определяет зависимость эффективного напряжения, развиваемого на согласованной нагрузке, от величины звукового давления у поверхности микрофона (u_вых =f(р) при F = 1000 Гц). По амплитудной характеристике можно судить о динамическом диапазоне микрофона, который определяется как диапазон звуковых давлений с нижним пределом, ограниченным уровнем собственных шумов микрофона, и верхним пределом, ограниченным допустимым уровнем нелинейных искажений. Коэффициент гармоник определяется как отношение спектральных составляющих напряжения на выходе микрофона, отсутствующих в спектре звукового давления, действующего на микрофон, к спектральным составляющим напряжения на выходе микрофона, присутствующим в спектре звукового давления.

Направленность микрофона определяет зависимость его чувствительности от угла θ между направлением, соответствующим максимальной чувствительности, и направлением на источник звука, т. е. Eм = f(θ). Обычно пользуются нормированной характеристикой направленности, которая определяется как отношение чувствительности, измеренной под углом в, к осевой (максимальной) чувствительности микрофона. Реальная форма характеристики направленности зависит от частоты акустических колебаний, от конструкции и акустических свойств микрофона. В авиационной связи наиболее часто используются микрофоны с односторонней или двусторонней направленностью. Первые являются приемниками давления, а вторые — приемниками градиента давления. Микрофоны - приемники градиента давления, как будет показано ниже, обладают высокой помехозащищенностью по отношению к акустическим шумам, равномерно распределенным в данном объеме, и поэтому широко применяются в авиационных гарнитурах.

Уровень собственных шумов микрофона определяется как величина эквивалентного звукового давления р_ш, при воздействии которого на микрофон на выходе последнего появилось бы напряжение u_ш, равное развиваемому им при отсутствии звукового давления. Наличие напряжения на выходе микрофона в отсутствие акустического сигнала является следствием флюктуации частиц окружающей среды, а также тепловых шумов сопротивлений электрической части микрофона. При определении собственных шумов микрофона обычно пользуются выражением

(3.3)

где R_Н - сопротивление нагрузки, равное модулю полного внутреннего сопротивления микрофона; P₀ = 1 мВт — нулевой уровень отсчета мощности шумов. Уровень собственных шумов является важной характеристикой, поскольку микрофон служит входным устройством системы связи и поэтому в значительной степени влияет на величину внутренних шумов системы в целом.

Рассмотрим основные типы микрофонов, применяемых в авиационных радиосвязных устройствах.

Угольные микрофоны появились вместе с созданием первых телефонных аппаратов и долгое время считались основным электроакустическим преобразователем в системах электросвязи. В настоящее время в авиационной радиосвязи они используются редко в связи с целым рядом присущих им недостатков, о которых будет сказано ниже. Схематически устройство угольного микрофона изображено на рис. 3.1. Принцип его работы основан на изменении сопротивления угольного порошка 3, под действием акустических колебаний на диафрагму 1, изолированную от корпуса 4 кольцом 2. Электрическая схема включения микрофона приведена на этом же рисунке. Для нормальной работы угольного микрофона необходим источник постоянного тока Е₀. Под действием звукового давления сопротивление микрофона R_i изменяется, переменные составляющие пульсирующего тока передаются через трансформатор, создавая выходное напряжение на его вторичной обмотке, ко­торое определяется по формуле

(3.4)

где n - коэффициент трансформации выходного трансформатора; k - отношение коэффициента модуляции к величине смещения диафрагмы; F - действующая на диафрагму сила звукового давления; u₀ - величина приложенного к микрофону постоянного напряжения; R_i - внутреннее сопротивление микрофона; R_Н - сопротивление его нагрузки; Ω - круговая частота звуковой волны; z_м - механическое сопротивление акустической системы.

Угольные микрофоны бывают низкоомными (R_i = 50Ом) с крупнозернистым порошком и высокоомными (R_i = 500 Ом) с мелкозернистым порошком. Низкоомные микрофоны требуют для питания источник напряжением около 6 В и обладают большим коэффициентом гармоник. Характерным для высокоомных микрофонов является то, что они обладают меньшими нелинейными искажениями и питаются от источника более высокого напряжения (до 60 В).

По сравнению с другими типами микрофонов угольные микрофоны имеют более высокую чувствительность и отличаются простотой устройства. Высокая чувствительность микрофонов этого типа объясняется тем, что здесь подобно усилительному прибору (лампе, транзистору) входной сигнал (звуковое давление) управляет током внешнего источника, который обладает сравнительно большой мощностью. Угольный микрофон не является непосредственным преобразователем механической энергии в электрическую. Он обладает усилительными свойствами.

Рис. 3.1. Микрофон угольный: 1- диафрагма; 2 - изолирующее кольцо,

3 - угольный порошок; 4 - корпус

Угольные микрофоны имеют существенные недостатки, заключающиеся в следующем: большой коэффициент гармоник (до 20%), существенная неравномерность частотной характеристики чувствительности (до 25 дБ), малый динамический диапазон (до 30 дБ), сильная зависимость параметров от внешних условий, необходимость использования источника питания, высокий уровень внутренних шумов, низкая эксплуатационная надежность.

В связи с указанными недостатками угольные микрофоны в настоящее время в авиационной связи применяются редко и, как правило, только в наземной аппаратуре в качестве микрофонных капсюлей (МК-10, МК-16 и др.) телефонных аппаратов. Усредненные значения некоторых параметров угольных микрофонов, применяемых в авиационной связи, приведены в табл. 3.1.

Электромагнитный микрофон схематически изображен на рис. 3.2. Принцип действия этого микрофона основан на возникновении ЭДС в катушке 2при изменении магнитного потока, создаваемого постоянным кольцевым магнитом 3и замыкающегося через сердечник 4катушки и металлическую диафрагму1. Изменение магнитного потока происходит вследствие изменения воздушного зазора между сердечником катушки я диафрагмой при колебании последней от воздействия звукового давления. Сердечник и диафрагма изготовляются из мягкого магнитного материала (пермаллоя и других железоникелевых сплавов).

Таблица 3.1.

Рис 3.2. Микрофон электромагнитный:

1— диафрагма; 2— катушка; 3— кольцевой

магнит, 4— магнитопровод

Величина переменного напряжения, возникающего на выходе микрофона, определяется по формуле

(3.5)

в которой помимо введенных выше обозначений Ф₀ - величина магнитного потока, создаваемого постоянным магнитом; ω - число витков катушки; d - величина воздушного зазора между сердечником и диафрагмой; z_i - внутреннее электрическое сопротивление микрофона.

В микрофонах этого типа диафрагма всегда оказывается прогнутой в сторону сердечника под действием постоянного магнитного поля. Поэтому при воздействии на нее переменного звукового давления она отклоняется от начального положения неодинаково, что является причиной значительных нелинейных искажений выходного сигнала. Вследствие этого электромагнитные микрофоны типа МЭМ в авиационной связи не нашли широкого применения.

Электромагнитный микрофон дифференциального типа, схема которого изображена на рис. 3.3, обладает высокой шумостойкостъю по отношению к внешним акустическим шумам, а также сравнительно низким значением нелинейных искажений. Он является приемником градиента давления и состоит из двух кольцевых магнитов 3с полюсными наконечниками 4, между которыми находится мембрана1. На полюсных наконечниках размещены две катушки 2, соединенные между собой последовательно. Звуковые колебания воздействуют на мембрану через отверстие 5.В состоянии покоя мембрана занимает среднее положение и магнитный поток в ней практически отсутствует. При воздействии звукового давления мембрана смещается относительно первоначального положения, магнитный поток в одной цепи уменьшается, а в другой увеличивается. В результате этого в катушках индуктируется ЭДС. Катушки соединены между собой так, чтобы ЭДС, наводимые в них, складывались в фазе.

Рис. 3.3. Микрофон ДЭМШ: 1- диафрагма; 2 - катушка; 3 - кольцевой магнит;

4 - магнитопровод; 5 - отверстие звукоприемника.

Высокая шумостойкость микрофона по отношению к внешним акустическим шумам объясняется тем, что такой микрофон является приемником градиента давления и имеет двустороннюю направленность. Акустические шумы в замкнутом объеме (кабине самолета, помещении и т. п.) вследствие отражения от стенок объема не имеют направленного действия. Поэтому их действие через канал 5 с двух сторон на мембрану нейтрализуется. Микрофон размещается в ближней зоне источника звука на расстоянии 2...2, 5 см отрта говорящего. Такой микрофон может работать в шумах высокого уровня (до 120 дБ) и поэтому широко применяется в авиационной связи, особенно для работы на борту самолета в составе авиационной гарнитуры. Он получил название дифференциального электромагнитного шумостойкого микрофона (ДЭМШ), является малогабаритным прибором (диаметр 23 мм, толщина 11 мм), обладает высокой надежностью, используется лишь для передачи речевых сообщений, так как имеет сравнительно узкий номинальный диапазон частот. Усредненные значения основных параметров микрофонов типа ДЭМШ приведены в табл. 3.1.

Электродинамические микрофоны (рис. 3.4) в отличие от электромагнитных микрофонов имеют подвижную катушку 2, закрепленную на диафрагме 1.

Рис. 3.4. Микрофон электродинамический:

1 – диаграмма; 2 – катушка; 3 – кольцевой магнит; 4 – магнитопровод.

Катушка вместе с диафрагмой перемещается под воздействием звукового давления на мембрану в воздушном зазоре между наконечниками 4 кольцевого магнита 3.При перемещении катушки в магнитном поле в ней индуктируется ЭДС, которая и является выходным эффектом прибора. Напряжение, развиваемое на номинальной нагрузке, определяется выражением

(3.6)

в котором помимо введенных выше обозначений В - магнитная индукция в зазоре между полюсными наконечниками; l - общая длина проводника обмотки подвижной катушки.

В этом микрофоне мембрана изготовляется из легких, но прочных материалов, например из полистирола. Поскольку катушка перемещается вместе с мембраной, то возникают определенные трудности в изготовлении всей подвижной системы с точки зрения минимизации ее массы. Путем применения механической коррекции удается получить достаточно хорошие характеристики этих микрофонов. Усредненные параметры динамических микрофонов типа МД, применяемых в авиационной связи, приведены в табл. 3.1. Микрофоны этого типа обладают, кроме того, высокой эксплуатационной надежностью, стабильностью в работе и широко применяются в системах авиационной связи.

Конденсаторный микрофон (рис. 3.5) построен на базе конденсатора, один из электродов 3которого является неподвижным, а второй 1 представляет собой тонкую диафрагму. На изолированные друг от друга кольцом 2электроды подано поляризующее напряжение от источника питания Е₀через высокоомный резистор R_{Н .} При колебании диафрагмы емкость конденсатора Со изменяется, а заряд на нем остается постоянным, так как конденсатор не успевает перезаряжаться из-за большой постоянной времени R_НС₀. Поэтому изменяется напряжение на конденсаторе. Приращение напряжения на конденсаторе и является ЭДС, возникающей от действия звукового давления на диафрагму. Напряжение и будет несколько меньше ЭДС, так как имеет место падение напряжения на емкости конденсатора и внутреннем сопротивлении источника питания. Оно определяется с помощью выражения

(3.7.)

в котором помимо введенных выше обозначений E₀ -электродвижущая сила источника постоянного тока; r_i - внутреннее (емкостное) сопротивление микрофона, d - зазор между диафрагмой и неподвижным электродом. При определенном выборе конструктивных элементов можно получить весьма высокие характеристики конденсаторных микрофонов. Обобщенные параметры микрофонов типа МК приведены в табл. 3.1. Эти микрофоны применяются главным образом в наземных авиационных системах связи, где требуется обеспечить высокое качество связи. Широкое использование они получили в специальной аппаратуре как измерительные микрофоны. В связи с низким значением выходного напряжения возникает необходимость применения усилителя вблизи микрофона, что является существенным недостатком. Кроме того, для нормальной работы конденсаторного микрофона требуется источник электрического тока.

Чувствительность конденсаторного микрофона определяется по формуле

(3.8)

где S - площадь диафрагмы, т — масса диафрагмы.

Рис. 3.5. Микрофон конденсаторный:

1 - диафрагма; 2 - изолирующее кольцо;

3 - неподвижный электрод