Акустические приборы

Высокочастотные механические колебания твердых тел, жидкостей и газовой среды называются звуком (20 Гц < f < 20 кГц) и ультра­звуком (f > 20 кГц), а соответствующие приборы – акустическими.

Источником звука может быть любое колеблющееся тело. Источ­никами монохроматического звука (преимущественно одной частоты) являются музыкальные инструменты (струнные и духовые, кроме шумовых и ударных), а также меры частоты – камертоны.

Струна – натянутая с определенной силой F проволока с линей­ной плотностью (масса единицы длины = m/l). Скорость попереч­ной волны в такой струне .Нa струне длиной L может уста­новиться только целое число полуволн: (рис. 15 а). Струна может колебаться с частотой

,

где п=1, 2, 3. При п =1 частота наименьшая и соответствует ос­новному тону, в свободном состоянии струна дает максимальную громкость звука на этой частоте: значения п = 2, 3,... соответствуют кратным частотам – обертонам. Частота, таким образом, определя­ется длиной струны, ее массой и силой натяжения. Подстраивают частоту струны, меняя ее натяжение. Басовые (низкочастотные) стру­ны делают длинными и специально утяжеляют, наматывая на сталь­ную центральную жилу медную проволоку. Струны высокого тона – тонкие, короткие и сильно натянуты. Тембр звучания струны (количе­ство и громкость обертонов) зависит от способа возбуждения коле­бании.

а б в г д е

Рис. 15. Источники звука:

а – струна, б – камертон, в – органная труба, г – сирена, д – динамик,

е – телефон.

Камертон – мера частоты, служащая для настройки музыкальных инструментов. Это металлический стержень U-образной формы, укре­пленный на ножке (рис.15,б). На свободных концах стержня уста­навливается пучность поперечной волны, в месте закрепления – узел. Таким образом, длина камертона соответствует /4.

Органная труба (рис. 15, в) – музыкальный инструмент, в кото­ром резонирует воздушный столб. В трубе устанавливается четверть длины волны продольного звука (узел у закрытого конца, пучность у открытого,

L=/4). При прохождении воздуха мимо косо срезан­ного отверстия возникают завихрения, рождаются самые различные частоты колебаний (шумы), но резонатор (большая труба) отбирает и усиливает только одну частоту Считая скорость звука v = 330 м/с, получаем для

v = 440 Гц («ля») длину трубы около 20 см. Для самого же низкого звука

v = 16 Гц длина трубы L получается равной около 5 м.

Сирена – механический источник звука, но переменной, плавно меняющейся частоты, используется как сигнал тревоги. Ее устрой­ство показано на рисунке 15, г. Она состоит из двух дисков с наклон­ными отверстиями. Если через нижний диск вдувать воздух, то верх­ний приходит во вращение. От того, сколько раз в секунду отверстия будут приходиться друг против друга, пропуская воздух и создавая над верхним диском уплотнение воздуха, т. е. от скорости вращения диска, будет зависеть частота создаваемых звуковых волн.

Перечисленные источники могут в конкретный момент давать только одну какую-либо частоту – это источники монохроматических (близких к монохроматическим) звуков. Однако существуют и источники, которые в равной мере приспособлены к излучению любых звуков (всеволновые). Естественно, в них не должно быть резонаторов, настроенных на ту или иную частоту. Для этого во всех колеблющихся деталях и воздушных полостях увеличивают трение (главным образом о воздух), а массу деталей делают малой, чтобы их можно было заставить колебаться с любыми частотами. Таковы электромеханические источники звука –громкоговоритель и телефон.

Громкоговоритель электродинамический (электродинамическая звукоизлучающая головка, распространенное название – динамик) – источник для создания звуков в больших пространствах. Он состоит (рис. 15, д) из постоянного магнита 1 с узким кольцевым зазором, в котором может свободно перемещаться, не касаясь его, тонкая ка­тушка 2 с проводом, прикрепленная к бумажному раструбу – диф­фузору 3, или рупору.

При прохождении тока через катушку сила Ампера втягивает катушку в зазор или (при другом направлении тока) выталкивает из зазора. Переменный ток приводит ее в колебания, они передаются диффузору, который и создает звуковые волны мощностью до несколь­ких десятков ватт.

Телефон – маломощный преобразователь электрических колеба­ний в звуковые. Переменные токи разных частот, протекая но катуш­ке 2 электромагнита (рис.15, е), создают в сердечнике магнита 1 поле, которое притягивает тонкую стальную мембрану 3. Однако если бы сердечник электромагнита был бы просто железный, он притягивал бы мембрану два раза за период. Излучалась бы вдвое большая ча­стота, чем следует. Поэтому в качестве сердечника берется постоянный магнит. Ток одного направления усиливает его поле, а другого – ослабляет. Так получается частота колебаний мембраны, соответ­ствующая частоте переменного тока, пропускаемого через катушку.

Приемники звука

Назначение микрофона – преобразование звуковой энергии (механической) в энергию электрическую, в энергию переменного тока той же частоты. Общей деталью всех микрофонов является мембрана – тонкая пла­стинка, колеблющаяся под давлением звуковых волн. Микро­фоны (рис. 16) различаются по используемым в них датчикам, реги­стрирующим колебания мембраны.

Рис. 16. Микрофоны: угольный – а, конденсаторный – б, динамический – в,

пьезоэлектрический – г, пленочный пьезоэлектрический – д.

В наименее совершенном, почти устаревшем угольном микрофо­не используется резистивный датчик – сопротивление угольного порошка в ко­робочке за мембраной зависит от колеба­ний мембраны. В результате ток через микрофон будет содержать, кроме посто­янной, еще и переменную составляющую, частота которой будет соответствовать частоте произносимых перед микрофо­ном звуков.

В конденсаторном микрофоне меня­ется под действием звуковых колебании емкость конденсатора и соответственно его заряд Q = CU. В результате в цепи возникает переменный ток .

Динамический микрофон сходен по устройству с громкоговорителем, только рупор заменен мембраной. В кольцевом зазоре магнита колеблется катушка. В. соответствии с законом электромагнит­ной индукции в ней наводится ЭДС , которая и дает переменный ток, если цепь замкнута. Отличие от громкоговорителя не является принци­пиальным, и один и тот же прибор не­редко используется как микрофон и как громкоговоритель, например в переговор­ных устройствах.

Пьезоэлектрический микрофон отдает заряд в цепь при деформации пьезоэлемента. В последнее время появились пленочные пьезомикрофоны, в которых мембрана совмещена с датчиком перемещения: пленка из гибкого по­лимера ПВФ (поливинилиденфторид), приобретающая пьезоэлектриче­ские свойства после сильной поляризации, наклеивается на металли­ческую пластинку с отверстиями (рис.16). Такие микрофоны мало­габаритны и обладают рядом преимуществ.

Параметрами микрофонов являются:

1.КПД, или чувствительность – отношение по­лезной энергии переменного тока к падающей на него звуковой энер­гии: W_эл /W_aK Чувствительность микрофона – отношение напряжения на выходе микрофона к воздействующему на него звуковому давлению при заданной частоте (как правило, 1000 Гц), выраженное в милливольтах на паскаль (мВ/Па). Чем больше это значение, тем выше чувствительность микрофона. Чувствительность микрофона измеряется также в дБ: дБ=10*2*lg(V₁/V₀), где V₀=1В/Па. Таким образом, чувствительность 2мВ соответствует 20*lg(2/1000) = -54дБ, а 12мВ – 20*lg(12/1000) = -38дБ. То есть, чем ближе к 0 (иногда «минус» в описаниях опускают) значение чувствительности в дБ, тем выше чувствительность микрофона.

Это ценное качество микрофона, но не самое главное, так как слабые электрические сигналы всегда можно усилить с по­мощью усилителя. Наибольшей чувствительностью обладает угольный микрофон (может работать без усилителя), наименьшей – конден­саторный.

2. Порог чувствительности (см. Введение) опре­деляется собственными шумами.

3. Частотная характеристика – график чувстви­тельности микрофона в зависимости от частоты. Характеристика долж­на быть по возможности плоской, т. е. чувствительность не долж­на зависеть от частоты. Это обеспечивается правильным соотношением между высокими и низкими частотами, т. е. отсутствием искажений. В хороших микрофонах «завалы» характеристики допускаются толь­ко на частотах f < 20 Гц и f > 20 кГц. Прочие микрофоны имеют более или менее широкую «полосу пропускания» (вопрос аналогичен частотным характеристикам усилителей). Наилучшую частотную характеристику имеет конденсаторный микрофон, наихудшую – угольный, который поэтому сильно искажает звуки.

4. Другой причиной искажения звуков могут быть нелиней­ные искажения – зависимость чувствительности от ампли­туды падающего звука. Параметры 2, 3 и 4 являются важнейшими, так как определяют качество звукозаписи и звукопередачи везде, где используются микрофоны.

5. Сопротивление выхода. Для согласования с вход­ным сопротивлением усилителя желательно сопротивление микрофона иметь небольшим.

6. Направленность (одинаково ли со всех направлений микрофон воспринимает звуки). Бывают нужны и острая направлен­ность и, наоборот, отсутствие направленности.

Дата добавления: 2014-01-13