Опубликован: 26.10.2007 | Доступ: свободный | Студентов: 2249 / 721 | Оценка: 4.04 / 3.76 | Длительность: 17:47:00
ISBN: 978-5-94774-810-9
Лекция 1:

Потребительские свойства телефонных аппаратов. Принципы построения микрофона и телефона

Лекция 1: 12345 || Лекция 2 >

Принципы построения микрофона и телефона

Микрофон

Микрофон предназначен для преобразования акустической энергии звука в электрическую энергию. Основной принцип действия микрофона состоит в том, что в электрическую цепь включается прибор, изменяющий свои параметры (обычно сопротивление, иногда — емкость) под давлением звуковой энергии [1.24]. Микрофоны классифицируются по признаку преобразования акустических колебаний в электрические и подразделяются на:

  • угольные;
  • электростатические (конденсаторные и электретные);
  • пьезоэлектрические.

В качестве основы для преобразования звука в электрический сигнал в микрофоне применялся также кварц и даже световые преобразователи.

Микрофоны характеризуются следующими параметрами [1.9].

Чувствительность микрофона ( S_м ) — это отношение ЭДС ( Е ), развиваемой на выходе микрофона, к воздействующему на него звуковому давлению ( Р ) (SPL — Sound Pressure Level) при заданной его величине и частоте (как правило, 1000 Гц), и выраженное в милливольтах на Паскаль (мВ/Па):

S_м = Е/Р.

Величина звукового давления, развиваемая в специальной камере при измерении чувствительности, обычно равна либо 94 дБ (около 2 Па) или 74 дБ (около 0,2 Па) (см. рис.1.2). Например, на расстоянии около метра уровень нормальной речи составляет 60 дБ SPL, уровень 74 дБ SPL — типичная интенсивность звука на расстоянии 30 см от говорящего, 94 дБ SPL — типичная интенсивность звука в 2-3 см от него же.

Уровень чувствительности — эта величина чувствительности, выраженная в относительных единицах (дБ). Уровень определяется относительно 1 В.

Номинальный диапазон рабочих частот — диапазон частот, в котором микрофон воспринимает акустические колебания и в котором нормируются его параметры.

Неравномерность частотной характеристики — разность между максимальным и минимальным уровнями чувствительности микрофона в номинальном диапазоне частот.

Характеристика направленности — зависимость чувствительности микрофона (в свободном пространстве, на определенной частоте) от угла между осью микрофона и направлением на источник звука.

Уровень собственного шума микрофона — это выраженное в децибелах отношение эффективного значения напряжения шума к напряжению, развиваемому микрофоном, при воздействии на него полезного сигнала с эффективным давлением 0,1 Па.

Напряжение шума обусловлено флуктуациями давления в окружающей среде и тепловыми шумами в электрической части микрофона. Согласно задаваемым нормам, напряжение собственного шума должно быть не более 0,5 мВ_{псоф}. Индекс псоф указывает на то, что необходимо учитывать те особенности восприятия звука человеком, которые были рассмотрены в разделе 1.2.

Рассмотрим вначале принцип построения угольного микрофона.

Угольный микрофон

Принцип построения угольного микрофона [1.16] показан на рис. 1.3.

Принцип построения угольного микрофона

Рис. 1.3. Принцип построения угольного микрофона

Он содержит угольный порошок, который под влиянием звуковой энергии меняет свою плотность. При большом звуковом давлении он уплотняется и сопротивление току уменьшается, при уменьшении величины звукового давления сопротивление вновь увеличивается. Для нормальной работы угольного микрофона требуется ток 30 мА [1.3]. При напряжении 60 В, которое обычно применяется на российских телефонных станциях, такой ток соответствует сопротивлению 2000 Ом. Это значение включает в себя сопротивление шлейфа (шлейф — это пара проводов, соединяющая телефонный аппарат со станцией) и сопротивление цепей электропитания 2x500 Ом. Это эквивалентно расстоянию примерно 5-7 км (при использовании медной жилы диаметром 0,04 см). Минимальное значение тока в линии составляет около 15 мА, что соответствует сопротивлению около 4000 Ом, и дает возможность обслуживать абонентов на расстоянии около 10 км с приемлемым качеством передачи сигнала. Для больших расстояний (например, в сельской местности) иногда используется повышенное напряжение электропитания.

Максимальный ток, допустимый в микрофоне, равен 60 мА. Дальнейшее увеличение тока может привести к "спеканию" угольного порошка в сплошную массу и выходу микрофона из строя. Поэтому, чтобы ограничить максимальное значение тока в цепи микрофона, на станции в цепь электропитания включают две обмотки реле с сопротивлением по 500 Ом каждое. Это дает возможность даже на самой короткой линии иметь нормальное значение тока.

Расчет величины тока, проходящего через угольный микрофон

Ток, протекающий через микрофон, зависит от его сопротивления, которое меняется в зависимости от звукового давления. Если принять, что на микрофон воздействует синусоидально изменяющееся звуковое давление, то его сопротивление можно представить в виде

R=R_{внеш}+R_{микр}-r\sin \omega t

(заметим, что при этом минимальное значение сопротивления R=R_{внеш}+R_{микр}-r, а максимальное значение R=R_{внеш}+R_{микр}+r

Ток через микрофон равен

I_{микр}=\frac{E}{(R_{пост}+R_{микр})-r\sin \omega t}=\frac{E}{(R_{пост}+R_{vbrh})(1-\frac{r}{R_{пост}+R_{микр}})\sin \omega t}

используя формулу разложения, получаем

I_{микр}=\frac{E}{(R_{пост}+R_{микр})}(1+\frac{r}{(R_{пост}+R_{микр})}\sin \omega t+\frac{r^2}{(R_{пост}+R_{микр})}\sin^2 \omega t

Это уравнение показывает, что ток представляет сумму сигнала с частотой звукового давления

\frac{r}{(R_{пост}+R_{микр})}\sin \omega t

более высокой частоты (высших гармоник), таких как

\frac{r^2}{(R_{пост}+R_{микр})}\sin^2 \omega t

и т .д.

Эти сигналы вносят искажения, которыми можно пренебречь. Тогда ток микрофона определяется формулой

I_{микр}=\frac{E}{(R_{пост}+R_{микр})}(1+\frac{r}{(R_{пост}+R_{микр})}\sin \omega t) \text{  или}\\
I_{микр}=I_0(1+\frac{r}{(R_{пост}+R_{микр})}\sin \omega t)\\
I_{микр}=I_0+I_o\frac{r}{(R_{пост}+R_{микр})}\sin \omega t)

где I_0 — постоянный ток электропитания микрофона, когда мембрана находится в исходном положении.

Рассмотрим переменную составляющую этой формулы, которая отображает сигнал, порождаемый звуковым давлением.

Поскольку

I_0=\frac{E}{(R_{пост}+R_{микр})}\text{,  то}\\
I_{max}=\frac{Er}{(R_{пост}+R_{микр})^2}

Обычно амплитуду изменения сопротивления микрофона выражают коэффициентом в процентах

p=\frac{r}{R_{микр}} от общей величины сопротивления микрофона R_{микр}. Тогда

I_{max}=\frac{EpR_{микр}}{(R_{пост}+R_{микр})^2}

Теперь определим оптимальное значение сопротивления микрофона для обеспечения максимального тока звукового сигнала. Считая R_{микр} переменным, продифференцируем выражение для максимального тока:

\frac{dI_{max}}{dR_{микр}}=\frac{Ep(R_{пост}+R_{микр})^2-EpR_{микр}2(R_{пост}+R_{микр})}{(R_{пост}+R_{микр})^4}

приравняв к нулю это уравнение и упростив его, получим

R_{микр} = R_{пост}.

В обычных условиях это равенство выполняется редко, но оно позволяет в определенных пределах выбирать параметры микрофона.

Лекция 1: 12345 || Лекция 2 >
Павел Ковалёв
Павел Ковалёв
Кристина Руди
Кристина Руди
Петр Столяров
Петр Столяров
Россия
Алексей Хохлов
Алексей Хохлов
Россия, Новосибирск