Мікрофони

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.


Нажми чтобы узнать.
скачати

Мікрофони

Мікрофоном називають пристрій, що перетворює механічні коливання повітряного середовища в електричні коливання.

Мікрофони класифікують за такими ознаками:

  • за особливостями прийому звукових коливань,

  • за принципом перетворення акустичних коливань в електричні,

  • за класами якості.

Елементом конструкції мікрофона, що сприймає звукові коливання, є мембрана. У залежності від того, як взаємодіє мембрана зі звуковим полем, істотно залежать характеристики мікрофона. Можливо кілька варіантів взаємодії.

Якщо для дії звукових хвиль доступна тільки одна сторона поверхні мембрани, то такий мікрофон називають приймачем тиску.

У тому випадку, коли довжина хвилі більше геометричних розмірів мікрофона, хвилі огинають корпус мікрофона і звуковий тиск p не залежить від орієнтації мембрани в звуковому полі. Отже, сила (S - площа поверхні мембрани), що діє на мембрану, не залежить від її положення в просторі. Мікрофон буде приймати звукові сигнали з усіх напрямків однаково, тобто буде ненаправленим. Якщо розміри корпусу мікрофону більше, ніж довжина хвилі, то звуковий тиск у поверхні мембрани при нормальному падінні хвиль подвоюється в порівнянні з тиском у вільному полі (звуковий тиск падаючої та відбитої хвиль складаються). При падінні хвиль під кутом до нормалі звуковий тиск буде зменшуватися через зміну коефіцієнта відображення і затінення мембрани корпусом, тобто умови прийому коливань з різних напрямків неоднакові. Мікрофон набуває спрямованість.

Введемо поняття акустичної чутливості мікрофона Е а, як відношення сили, що діє на мембрану, до величини звукового тиску. На довгих хвилях акустична чутливість , Тобто постійна впливу, яка не залежить від напряму приходу хвиль. Зобразимо графік залежності акустичної чутливості мікрофона від кута між нормаллю до поверхні мембрани і напрямком приходу звукових хвиль. Надалі цей графік будемо називати діаграмою спрямованості мікрофону. Якщо на графіку відкладати не абсолютну чутливість , А значення , То отримаємо нормовану діаграму спрямованості мікрофону.

Нормована діаграма спрямованості мікрофона - приймача тиску.

На рис. 1. показані нормовані діаграми спрямованості приймача тиску для різних значень відносини , Де d - розмір корпусу мікрофону.

Якщо мембрана доступна для звукових хвиль з обох сторін, то її коливання відбуваються під дією різниці тисків фронтальній і тиловій хвиль. Такі мікрофони називають приймачами градієнта тиску.

Акустична чутливість приймача градієнта тиску:

Різниця тисків виникає за рахунок різниці ходу звукових хвиль до зовнішньої (фронтальною) і внутрішньої (тильної) поверхні мембрани. Різниця ходу хвиль, у свою чергу, створює різницю фаз і різниця амплітуд. Різниця фаз (див. рис. 2):

Малюнок 2

Різниця амплітуд звукового тиску, віднесена до амплітуди падаючої (фронтальною) хвилі:

,

де р 1 - звуковий тиск на відстані 1 м від джерела. Таким чином, різниця амплітуд більш істотна на малих відстанях.

Визначимо різницю тисків:

,

де , .

Акустична чутливість:

(1)

Досліджуємо вираз (1). Залежність акустичної чутливості Е а від кута падіння θ представлена ​​на рис. 3. Як випливає з малюнка, мікрофон - приймач градієнта тиску має спрямованими властивостями. На низьких частотах мікрофон володіє максимальною чутливістю в напрямку осі. Форма діаграми спрямованості близька до окружності, що проходить через початок координат. В області верхніх частот максимум чутливості зміщується в сторони від осі мікрофона.

Частотні характеристики осьової акустичної чутливості приймача градієнта тиску для різних відстаней від джерела звуку наведена на малюнку 4. Для малих відстаней частотна характеристика більш-менш рівномірна в області низьких частот і має максимум ~ 10 дБ в області верхніх частот. На великих відстанях від джерела нерівномірність частотної характеристики зростає (~ 30дБ).

Діаграми спрямованості приймача градієнта тиску, розраховані для розміру мембрани а = 0.017 м і відстані r = 0.1 м. Крива 1 - для частоти 100 Гц, 2 - для частоти 10000 Гц і 3 - для 20000 Гц.

Конструкція такого приймача схематично показана на рисунку 4. Мембрана встановлена ​​в площині одного з торців циліндра, довжина якого дорівнює d. Коливання мембрани відбуваються під дією сили, створюваної різницею тисків фронтальній і тиловій хвиль.

Малюнок 4.

Частотна характеристика осьової чутливості мікрофона - приймача градієнта тиску, обчислена для а = 0.017 м і відстаней r = 0.02 м (крива 1) і r = 10 м (крива 2).

Різниця ходу фронтальній і тиловій хвиль . Якщо підставити це значення (1) і провести спрощення, то для великих відстаней від джерела отримаємо:

,

тобто діаграма спрямованості асиметричного приймача градієнта тиску - кардіоїда. У загальному випадку діаграма спрямованості асиметричного приймача градієнта тиску залежить від відстані і частоти звукових коливань (див. рис. 6).

Для отримання приймачів з керованою формою діаграми спрямованості часто комбінують приймачі тиску і приймачі градієнта тиску. Обидва мікрофона встановлюють один над іншим так, щоб їх осі мали однаковий напрямок, а сигнали мікрофонів підсумовують. Тоді акустична чутливість комбінованого мікрофона Е а = Е пекло + Е АГД = Е пекло + Е агдо , Де Е пекло - акустична чутливість приймача тиску, Е агдо - осьова акустична чутливість приймача градієнта тиску, θ - кут між віссю системи мікрофонів і напрямком приходу хвиль, описує діаграму спрямованості приймача градієнта тиску. Нормована характеристика спрямованості комбінованого мікрофона запишеться наступним чином:

Діаграми спрямованості мікрофона - асиметричного приймача градієнта тиску, розраховані для d = 0.03 м, r = 0.1 м і наступних частот: крива 1 для 100 Гц, крива 2 - 5000 Гц і крива 3 - 10000 Гц.

  • .

Введемо параметр , Тоді і:

(2)

Задаючи різні значення параметра q, будемо отримувати різні діаграми спрямованості комбінованого мікрофона.

Для опису властивостей діаграми спрямованості використовують ряд її характеристик, таких як коефіцієнт спрямованості, індекс спрямованості, ширина діаграми спрямованості, перепад чутливості «фронт-тил».

Коефіцієнтом спрямованості називають відношення квадрата осьової чутливості мікрофона, виміряної у вільному полі, до середнього по усіх напрямках квадрату чутливості, виміряного при тих же умовах. Для діаграм спрямованості з осьовою симетрією коефіцієнт спрямованості обчислюють за формулою:

(3)

Індекс спрямованості Q - коефіцієнт спрямованості, виражений в децибелах:

(4)

Ширина діаграми спрямованості визначається кутом, в межах якого чутливість мікрофона зменшується не більше ніж у разів відносно осьової чутливості.

Перепад чутливості «фронт-тил» - ставлення чутливості мікрофону за θ = 0 0 до чутливості при θ = 180 0.

У таблиці 1 прведени значення цих характеристик спрямованості комбінованого мікрофона для ряду значень параметра q.

Таблиця 1. Характеристики комбінованих приймачів при різних значеннях параметра q.

q

Форма діаграми спрямованості

Ω

Q

Ф / т, дБ

0

Ненаправленная

1

0

3600

0

0.5

Кардіоїда

3

4.77

1320

0.634

Суперкардіоїда

3.73

5.72

1150

11.43

0.75

Гіперкардіоїда

4

6.02

1050

6.02

1

Косінусоіда

3

4.77

900

0

Управління діаграмою спрямованості може бути здійснено, наприклад, при включенні мікрофонів за схемою, зображеної на рис. 7.

Малюнок 7.

При верхньому положенні движків потенціометрів працює тільки приймач тиску (q = 0), мікрофон - ненаправлений. При нижньому положенні движків працює тільки приймач градієнта тиску (q = 1), діаграма спрямованості - косінусоідная. У проміжних положеннях движків виходять діаграми спрямованості інших видів (див. таблицю 6).

У деяких випадках приймач повинен мати більш гостру діаграму спрямованості, ніж у приймачів, розглянутих вище. Таке завдання може бути вирішена шляхом об'єднання кількох однакових приймачів в групу.

Мікрофони розташовують уздовж прямої лінії на відстані d одна від одної, Виходи мікрофонів з'єднують послідовно (див. рис. 8).

Малюнок 8

Знайдемо характеристику спрямованості мікрофону . Будемо вважати, що плоска звукова хвиля падає під кутом θ до осі системи. Тоді між напругами сусідніх мікрофонів матиме місце зсув по фазі

де , А напруга i - го мікрофона . Підсумовуючи напруження всіх мікрофонів, отримаємо:

.

Амплітуда цього напруги:

.

При це вираз дає невизначеність виду 0 / 0. Розкриваючи невизначеність за правилом Лопіталя, отримаємо . Тоді характеристика спрямованості:

(5)

де - Характеристика спрямованості одного мікрофону. З виразу (5) випливає, що діаграма спрямованості може мати кілька пелюсток. Напрями, для яких характеристика спрямованості приймає нульові значення, можна визначити з умови:

де - Ціле число.

Або інакше:

.

Звідки число нулів діаграми спрямованості , Тобто чим більше розмір лінійки мікрофонів, тим більше число пелюсток діаграми спрямованості і кожна пелюстка стає вже. На рис. 9 наведено діаграми спрямованості лінійки з ненапрямлених мікрофонів для ряду частот.

Діаграми спрямованості лінійки з 5 ненапрямлених мікрофонів. . Крива 1 для частоти 100 Гц, крива 2 - для частоти 500 Гц, крива 3 - для 1000 Гц.

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Комунікації, зв'язок, цифрові прилади і радіоелектроніка | Контрольна робота
35.3кб. | скачати

© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru