Как работает угольный микрофон

Принцип работы угольного микрофона

На рисунке изображен угольный микрофон, где
1 – мембрана (или диафрагма), обычно выполнена из тонкого металла;
2 – подвижный электрод (жестко сцеплен с мембраной);
3 – угольный порошок;
4 – корпус (диэлектрический материал);
5 – неподвижный электрод;
6 – согласованная нагрузка R_н;
7 – ЭДС, батарея.

Принцип работы угольного микрофона основывается на изменение сопротивления угольного порошка, где сопротивление угольного микрофона зависит от следующих величин: ток питания, длительности прохождения ток питания, размеров и формы зерен угольного порошка, положение микрофона в пространстве, например, угла наклона.

За счёт звуковой волны (колебания) образуется давление на мембрану 1 (ввиду того, что она гибкая и упругая), которая приводит в колебательное движение подвижный электрод 2 в результате чего, угольный порошок 3 начинает то сжиматься, то разжиматься при этом его сопротивление или увеличивается, или уменьшается. В цепи через неподвижный электрод 5 начинает протекать пульсирующий ток (постоянный ток и переменный ток) в виде формы синусоиды.

Таким образом, основная функция микрофона – это преобразования звукового колебание в электрическое, а также обладает усилительными характеристиками и может усиливать сигнал в тысячи раз.

Сопротивления угольного микрофона обычно составляет 60-300 Ом, частота — 300-3000 Гц. Микрофон чувствителен к влажности, воздействию грозы.

Формула для определения мгновенного значения э.д.с.:

R_m — амплитуда сопротивления микрофона (переменная величина).
Формула для нахождения электрической мощность Р_М, которую отдаёт микрофон согласованной нагрузке R_н:

Если R_н=R_М и

то формула примет вид

R_М — среднее сопротивление микрофона во время его работы

3435

Как работает микрофон, разновидности микрофонов

Для преобразования звуковых колебаний в электрический ток применяют специальные электроакустические приборы, называемые микрофонами. Название данного прибора связано с сочетанием двух греческих слов, которые переводятся как «маленький» и «голос».

Микрофон – это преобразователь акустических колебаний в воздушной среде в электрические колебания.

Принцип действия микрофона заключается в том, что звуковые колебания (по сути — колебания давления воздуха) воздействуют на чувствительную мембрану устройства, а уже колебания мембраны вызывают генерацию колебаний электрических, поскольку именно мембрана связана с генерирующей электрический ток частью прибора, устройство которой зависит от вида конкретного микрофона.

Так или иначе, на сегодняшний день микрофоны находят самое широкое применение в различных областях науки, техники, искусства и т. д. Они используются в аудиотехнике, в мобильных гаджетах, применяются для голосовой связи, для записи голоса, в медицинской диагностике и в ультразвуковых исследованиях они служат датчиками, и во многих-многих других областях человеческой деятельности без микрофона в том или ином виде просто не обойтись.

Микрофоны имеют различные конструкции, так как у микрофонов разного вида за генерацию электрических колебаний отвечают различные физические явления, главные из которых: электрическое сопротивление, электромагнитная индукция, изменение емкости и пьезоэлектрический эффект. На сегодняшний день по принципу устройства можно выделить три основные типа микрофонов: динамический, конденсаторный и пьезоэлектрический. До сих пор кое-где встречаются, однако, и угольные микрофоны, с них и начнем наш обзор.

Угольный микрофон

В 1856 году французский ученый Дю Монсель опубликовал свои исследования, в которых демонстрировалось, что даже при небольшом изменении в площади соприкосновении графитовых электродов, их сопротивление протеканию электрического тока изменяется довольно значительно.

Двадцать лет спустя, американский изобретатель Эмиль Берлинер создал на базе данного эффекта первый в мире угольный микрофон. Это произошло 4 марта 1877 года.

Работа микрофона Берлинера была основана именно на свойстве контактирующих угольных стержней изменять сопротивление цепи вследствие изменения площади проводящего контакта.

Уже в мае 1878 года развитие изобретению дал Дэвид Юз, который установил графитовый стержень с заостренными концами и с неподвижно закрепленной на нем мембраной между парой угольных чашечек.

Когда мембрана колебалась от действия не нее звука, площадь контакта стержня с чашечками также изменялась, соответственно изменялось и сопротивление электрической цепи, в которую был включен стержень. В результате ток в цепи изменялся следуя за колебаниями звука.

Томас Алва Эдисон пошел еще дальше, — он заменил стержень на угольный порошок. Автор же наиболее прижившейся конструкции угольного микрофона — Энтони Уайт (1890 год). Именно такие микрофоны до сих пор можно встретить в трубках старых аналоговых телефонных аппаратов.

Угольный микрофон устроен и работает следующим образом. Между двумя металлическими пластинами находится заключенный в герметичную капсулу угольный порошок (гранулы). Одна из пластин с одной стороны капсулы соединена с мембраной.

Когда на мембрану действует звук, она колеблется, передавая колебания угольному порошку. Частички порошка колеблются, то и дело изменяя площадь контакта друг с другом. Таким образом колеблется и электрическое сопротивление микрофона, изменяя ток в цепи, в которую он включен.

Самые первые микрофоны включали в цепь последовательно с гальванической батареей в качестве источника напряжения.

При подключении такого микрофона к первичной обмотке трансформатора, с его вторичной обмотки можно снять колеблющееся в такт действующему на мембрану звуку электрическое напряжение. Угольный микрофон отличается высокой чувствительностью, что делает в некоторых случаях возможным его применение даже без усилителя. Хотя есть у угольного микрофона и существенный недостаток — наличие значительных нелинейных искажений и шумов.

Конденсаторный микрофон

Конденсаторный микрофон (работа которого основана на принципе изменения электроемкости под действием звука) был изобретен американским инженером Эдуардом Венте в 1916 году. Способность конденсатора изменять емкость в зависимости от изменения расстояния между его обкладками была на тот момент уже хорошо известна и изучена.

Так, одна из обкладок конденсатора выступает здесь в качестве чувствительной к звуку тонкой подвижной мембраны. Мембрана получается легкой и чувствительной в силу своей тонкости, поскольку для ее изготовления традиционно используют тонкий пластик с нанесенным на него тончайшим слоем золота или никеля. Вторая обкладка конденсатора, соответственно, должна быть закреплена неподвижно.

Когда переменное звуковое давление действует на тонкую пластинку, это заставляет ее колебаться — то приближаться ко второй обкладке конденсатора, то отдаляться от нее. При этом колеблется и изменяется электрическая емкость такого своеобразного переменного конденсатора. В результате в электрической цепи, в которую включен данный конденсатор, электрический ток колеблется повторяя форму падающей на мембрану звуковой волны.

Рабочее электрическое поле между обкладками создается либо внешним источником напряжения (например батареей), либо путем изначального применения поляризованного материала в качестве покрытия одной из пластин (электретный микрофон — разновидность конденсаторного микрофона).

Здесь обязательно используется предусилитель, поскольку сигнал очень слаб, ведь изменение емкости от звука оказывается крайне мало, мембрана колеблется еле заметно. Когда схема предусилителя повышает амплитуду звукового сигнала, уже усиленный сигнал направляется затем в усилитель. Отсюда вытекает первое достоинство конденсаторных микрофонов — они сверхчувствительны даже на очень высоких частотах.

Динамический микрофон

Рождение динамического микрофона явилось заслугой немецких ученых Гервина Эрлаха и Вальтера Шоттки. В 1924 году они предложили новый тип микрофона — динамический микрофон, работающий значительно качественнее угольного предшественника в плане линейности и частотных характеристик, и превосходящий конденсаторного собрата по изначальным электрическим параметрам. Они расположили в магнитном поле гофрированную ленточку из очень тонкой (около 2 мкм толщиной) алюминиевой фольги.

В 1931 году модель была усовершенствована американскими изобретателями Тёресом и Венте. Они предложили динамический микрофон с катушкой индуктивности. Данное решение по сей день считается лучшим для звукозаписывающих студий.

В основе работы динамического микрофона лежит явление электромагнитной индукции. Мембрана прикреплена к проводнику из тонкой медной проволоки, намотанному на легкую пластиковую трубочку, которая находится в зоне действия постоянного магнитного поля.

Звуковые колебания действуют на мембрану, мембрана колеблется повторяя форму звуковой волны, при этом передает свои движения проводнику, проводник перемещается в магнитном поле, и (в соответствии с законом электромагнитной индукции) в проводнике индуцируется электрический ток, повторяющий по форме падающий на мембрану звук.

Поскольку проводник с пластиковой опорой — достаточно легкая конструкция, она получается очень подвижной и весьма чувствительной, а наводимое электромагнитной индукцией переменное напряжение — немалым.

Электродинамические микрофоны подразделяются катушечные на (оснащенные диафрагмой в кольцевом зазоре магнита), ленточные (в которых материалом для катушки служит гофрированная алюминиевая фольга), изодинамические и др.

Классический динамический микрофон надежен, отличается широким диапазоном чувствительности по амплитуде в области звуковых частот, при этом недорог в производстве. Тем не менее он недостаточно чувствителен на высоких частотах и плохо реагирует на резкие перепады звукового давления — это два его главных недостатка.

Динамический микрофон ленточной модификации отличается тем, что магнитное поле создается постоянным магнитом с полюсными наконечниками, между которыми находится тонкая алюминиевая ленточка, являющаяся заменой медной проволоке.

Ленточка обладает высокой электрической проводимостью, но индуцируемое напряжение мало, поэтому в схему обязательно добавляется повышающий трансформатор. Полезный звуковой сигнал снимается в такой схеме со вторичной обмотки трансформатора.

Ленточный динамический микрофон показывает очень равномерный частотный диапазон чувствительности в отличие от обычного динамического микрофона.

В качестве материала постоянного магнита в микрофонах используются магнитотвердые сплавы с высокой остаточной индукцией (например, NdFeB). Корпус и кольцо изготавливают из магнитомягких сплавов (например, из электротехнических сталей или пермаллоев).

Пьезоэлектрический микрофон

Новое слово в аудиотехнике было сказано российскими учеными Ржевкиным и Яковлевым в 1925 году. Они предложили принципиально новый подход к преобразованию звука в колебания тока — пьезоэлектрический микрофон. Действию звукового давления здесь подвергается пьезоэлектрический кристалл.

Звук действует на мембрану, связанную со стержнем, который в свою очередь закреплен на пьезоэлектрике. Пьезокристалл деформируется под действием колебаний стрежня, а на его выводах появляется напряжение, повторяющее форму падающего звука. Данное напряжение используется в качестве полезного сигнала.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Угольный микрофон — Carbon microphone

Угольный микрофон из телефонной трубки Western Electric, около 1976 года. Угольный микрофон Ericsson в разобранном виде с видимыми частицами углерода

угольный микрофон, также известный как угольный кнопочный микрофон, кнопочный микрофон или угольный передатчик, является тип микрофона, преобразователя, который преобразует звук в электрический звуковой сигнал. Он состоит из двух металлических пластин, разделенных гранулами углерода. Одна пластина очень тонкая и обращена к говорящему, действуя как диафрагма. Звуковые волны, ударяющиеся о диафрагму, вызывают ее вибрацию, оказывая переменное давление на гранулы, что, в свою очередь, изменяет электрическое сопротивление между пластинами. Более высокое давление снижает сопротивление, поскольку гранулы сдвигаются ближе друг к другу. Между пластинами через гранулы пропускают устойчивый постоянный ток. Переменное сопротивление приводит к модуляции тока, создавая переменный электрический ток, воспроизводящий изменяющееся давление звуковой волны. В телефонии этот волнообразный ток напрямую передается по телефонным проводам в центральный офис. В системах громкой связи он усиливается звуковым усилителем. Однако частотная характеристика большинства угольных микрофонов ограничена узким диапазоном, и устройство производит значительный электрический шум.

. До распространения усилителей на электронных лампах в В 20-е годы угольные микрофоны были единственным практическим средством получения аудиосигналов высокого уровня. Они широко использовались в телефонных системах до 1980-х годов, в то время как другие приложения использовали микрофоны другой конструкции гораздо раньше. Их низкая стоимость, изначально высокая мощность и частотная характеристика хорошо подходили для телефонии. Для простой старой телефонной службы (POTS) телефоны с угольным микрофоном можно использовать без изменений. Углеродные микрофоны, обычно модифицированные телефонные передатчики, широко использовались в системах раннего AM-радиовещания, но их ограниченная частотная характеристика, а также довольно высокий уровень шума привели к тому, что к концу 1920-х годов в этих приложениях отказались.. В течение нескольких десятилетий они продолжали широко использоваться для низкопроизводительных систем громкоговорящей связи, а также в военных и любительских радиоприемниках.

• 1 История
  • 1.1 Использование в качестве усилителя
  • 1.2 Ранние приложения для радио

  История

  

  Первый угольный микрофон Хьюза, состоящий из углеродного стержня, свободно подвешенного между двумя металлическими контактами с током от аккумуляторной батареи. Звуковые волны вибрировали стержень, изменяя сопротивление точек контакта угля, изменяя силу тока.

  Первым микрофоном, который обеспечил правильную голосовую телефонию, был (неплотный) угольный микрофон (тогда называемый передатчиком). Это было независимо разработано около 1878 года Дэвидом Эдвардом Хьюзом в Англии и Эмилем Берлинером и Томасом Эдисоном в США. Хотя Эдисон получил первый патент в середине 1877 года, Хьюз продемонстрировал свое рабочее устройство перед многими свидетелями несколькими годами ранее, и большинство историков приписывают его изобретение.

  В устройстве Хьюза использовались рыхлые гранулы углерода. — изменяющееся давление, оказываемое на гранулы диафрагмой от акустических волн, вызывало пропорциональное изменение сопротивления углерода, что позволяло относительно точное электрическое воспроизведение звукового сигнала. Хьюз также придумал слово «микрофон». Он продемонстрировал свой аппарат Королевскому обществу, усилив звук царапания насекомых через звуковую коробку. В отличие от Эдисона, Хьюз решил не получать патент; вместо этого он сделал свое изобретение подарком миру.

  В Америке Эдисон и Берлинер вели долгую судебную тяжбу за патентные права. В конечном итоге федеральный суд предоставил Эдисону полные права на изобретение, заявив, что «Эдисон предшествовал Берлинеру в передаче речи. Использование углерода в передатчике, вне всяких сомнений, является изобретением Эдисона», и патент Берлинера был признан недействительным.

  Угольный микрофон является прямым прототипом сегодняшних микрофонов и сыграл решающую роль в развитии телефонии, радиовещания и звукозаписи. Позже между угольными пуговицами стали использовать угольные гранулы. Угольные микрофоны широко использовались в телефонах с 1890 по 1980-е годы.

  Использование в качестве усилителя

  Работа угольного микрофона. Когда звуковая волна давит на проводящую диафрагму, гранулы углерода сжимаются и уменьшают их электрическое сопротивление.

  Углеродные микрофоны могут использоваться в качестве усилителей. Эта возможность использовалась в ранних телефонных повторителях, делая возможными междугородние телефонные звонки в эпоху до появления ламповых усилителей. В этих ретрансляторах магнитная телефонная трубка (электромеханический преобразователь ) была механически связана с угольным микрофоном. Поскольку угольный микрофон работает путем изменения тока, проходящего через него, вместо генерации сигнала напряжение, как с большинством других типов микрофонов, это устройство можно использовать для усиления слабых сигналов и их передачи по линии. От этих усилителей по большей части отказались после разработки электронных ламп, которые предлагали более высокое усиление и лучшее качество звука. Даже после того, как электронные лампы стали широко использоваться, угольные усилители продолжали использоваться в течение 1930-х годов в портативном звуковом оборудовании, таком как слуховые аппараты. Углеродный усилитель Western Electric 65A имел диаметр 1,2 дюйма, высоту 0,4 дюйма и весил менее 1,4 унции. Такие углеродные усилители не требовали тяжелых громоздких батарей и источников питания, используемых ламповыми усилителями. К 1950-м годам угольные усилители для слуховых аппаратов были заменены миниатюрными электронными лампами (вскоре их заменили транзисторы). Однако углеродные усилители все еще производятся и продаются.

  Примером усиления, обеспечиваемого углеродными микрофонами, были колебания, вызванные обратной связью, которые привели к слышимому визгу от старого «подсвечиваемого телефона «, если его наушники были помещены рядом с угольным микрофоном.

  Ранние радиоприложения

  Ранние AM радиопередатчики полагались на угольные микрофоны для голосовой модуляции радиосигнала. В первой передаче аудио на большие расстояния, осуществленной Реджинальдом Фессенденом в 1906 году, непрерывная волна от генератора переменного тока Alexanderson подавалась непосредственно на передающая антенна через угольный микрофон с водяным охлаждением. Более поздние системы, использующие ламповые генераторы, часто использовали выходной сигнал угольного микрофона для модуляции смещения сетки генератора или выходной лампы для достижения модуляции.

  Текущее использование

  Помимо устаревших телефонных установок в различных условиях в зависимости от региона и страны, угольные микрофоны все еще могут использоваться сегодня в определенных нишевых приложениях, хотя производители прекращают распространение. Например, Shure 104c все еще пользовался спросом в конце 2010-х годов из-за его широкой совместимости с существующим оборудованием.

  Главное преимущество угольных микрофонов перед другими микрофонами заключается в том, что они могут производить аудиосигналы высокого уровня от очень низких напряжений постоянного тока без необходимости какого-либо дополнительного усиления или батарей. Угольный микрофон за счет использования источника питания дает прирост мощности. Это легко проверить, последовательно подключив аккумулятор, микрофон и наушники. Если микрофон и наушник соприкоснутся, система начнет колебаться. Это возможно только в том случае, если усиление мощности вокруг контура больше единицы. Низковольтные характеристики микрофона особенно полезны в удаленных местах, обслуживаемых очень длинными телефонными линиями, где электрическое сопротивление проводов может привести к серьезному падению постоянного напряжения. Большинству полностью электронных телефонов для работы требуется не менее трех вольт постоянного тока, и поэтому они часто становятся бесполезными в таких ситуациях, в то время как телефоны с углеродным передатчиком будут продолжать работать до долей вольта. Даже там, где они действительно работают, электронные телефоны также страдают от так называемого «эффекта обрыва », когда они внезапно прекращают работу, когда напряжение в сети падает ниже критического уровня. В частности, это означает, что один телефон на «линии стороны » может иметь тенденцию «перехватывать» весь линейный ток , отключая другие. С угольными микрофонами все приемники на одной линии по-прежнему будут работать, хотя и с пониженной мощностью.

  Углеродные микрофоны также широко используются в критически важных для безопасности приложениях, таких как горнодобывающая промышленность и химическое производство., где нельзя использовать более высокие линейные напряжения из-за риска искрения и, как следствие, взрывов. Телефонные системы на углеродной основе также устойчивы к повреждениям от сильных ударов, например от ударов молнии, и электромагнитных импульсов типа, генерируемых ядерными взрывами, и поэтому до сих пор используются в качестве резервных систем связи на критически важных военных объектах.

  Ссылки

  1. ^Хейл, Б. Микрофон: краткая иллюстрированная история. QST, 90 (6), 50
  2. ^Пол Дж. Нахин (2002). Оливер Хевисайд: Жизнь, работа и времена гения-электрика викторианской эпохи. JHU Press. п. 67. ISBN 9780801869099 .
  3. ^Huurdeman, Anton (2003). Всемирная история телекоммуникаций. John Wiley Sons.
  4. ^»Дэвид Хьюз». Проверено 30 декабря 2013 г.
  5. ^«Краткая история микрофонов» (PDF). Проверено 17 декабря 2012 г.
  6. ^Зал славы изобретателейАрхивировано 10 июня 2006 г., в Wayback Machine, E. Berliner, США. Патент 0,463,569 подан в июне 1877 г., выдан в ноябре 1891 г.
  7. ^ Сеть глобальной истории IEEE: датчик углерода. Нью-Брансуик, Нью-Джерси: Исторический центр IEEE «Архивная копия» . Архивировано 18 марта 2010 года из оригинального . Проверено 14 января 2009 г. CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (ссылка )
  8. ^«Дэвид Эдвард Хьюз: Концертинист и изобретатель» (PDF). Заархивировано с оригинала (PDF) 31 декабря 2013 г. Проверено 17 декабря 2012 г.
  9. ^Примеры усилителей на основе углеродных микрофонов:
     • К 1904 году Герберт Э. Шрив разработал углеродный усилитель для ретрансляции. телефонные сигналы на большие расстояния. Также компания Western Electric (США) использовала угольный усилитель в своем слуховом аппарате № 66B. См.: Электромеханические усилителиАрхивировано 2015-09- 23 на Wayback Machine.
     • Механическое телефонное реле, которое было изобретено Гербертом Э. Шривом, инженером Western Electric Co., было запатентовано в 1905 году. См.: Герберт Э. Шрив, » Усилитель или реле телефонного тока » патент США № 791 655 (подана: 8 июля 1904 г.; выдан: 6 июня 1905 г.). См. Также: Herbert E. Shreeve, » Усилитель или реле телефонного тока, » патент США № 791,656 (подана: 28 февраля 1904 г.; i отправлено: 6 июня 1905 г.).
     • В слуховом аппарате Acousticon использовался угольный усилитель. См.: Музей слуховых аппаратов.
     • Другие ранние слуховые аппараты, основанные на углеродных усилителях, упомянуты здесь: Медицинская школа Вашингтонского университета: хронология слуховых устройств и раннего обучения глухих
     • В 1924 году Фирма Siemens Corp. из Германии запатентовала слуховой аппарат с угольным усилителем. См.: Слуховые аппараты Siemens: угольный усилитель 1924 годаАрхивировано 15 января 2014 года в Wayback Machine.
  10. ^Дуглас Селф. «Электромеханические усилители (угольный усилитель Western Electric 65A в слуховом аппарате 66B)». Архивировано из оригинала 23 сентября 2015 года. Проверено 14 сентября 2010 г.
  11. ^«Встроенный угольный усилитель GN 0686 Netcom». Headset-Plus.com.
  12. ^«Руководство по модели 104C» (PDF). Shure Incorporated.
  13. ^«527c-as-a-replace-for-model-104c».

  Библиография

  • Джозефсон, Мэтью, Эдисон: биография, Wiley, 1992, ISBN 0-471-54806-5

  Внешние ссылки

  На Wikimedia Commons есть материалы, связанные с Углеродные микрофоны .

  • Изобретение Эдисоном угольного (графитового) микрофона Фрэнком Дайер
  • Т.А. Эдисон, США Патент 0,474,230 Speaking Telegraph (графитовый микрофон), подан в апреле 1877 г., выдан в мае 1892 г.
  • Т. А. Эдисон, США. Патент 0,203,016 «Улучшение разговорных телефонов» (сжатая кнопка с черной лампой, изолированная от диафрагмы), поданный в марте 1878 г., выдан в апреле 1878 г.
  • Т. Эдисон, США Патент 0,222,390 Углеродный телефон (микрофон из углеродных гранул), подан в ноябре 1878 г., выдан в декабре 1879 г.
  • E. Берлинер, США Патент 0,222,652 Улучшение электрических контактных телефонов (угольная диафрагма с угольным контактным штифтом), поданный в августе 1879 г., выдан 16 декабря 1879 г.
  • A. C. White, США. Патент 0,485,311 Телефон (сплошной задний угольный микрофон), подан 24 марта 1892 г., выдан 1 ноября 1892 г. (инженер Bell)

  текст лекций / 23. Угольный микрофон. Электродинамический, электромагнитный, пьезоэлектрический микрофоны

  

  К основным характеристикам и параметрам микрофонов, определяющим их качество, относятся следующие:

  1) чувствительность — отношение напряжения на выходе микрофона к воздействующему на него звуковому давлению;

  2) динамический диапазон — разность между уровнями предельного звукового давления и собственных шумов;

  3) рабочий частотный диапазон;

  4) частотная характеристика (ЧХ);

  5) характеристика направленности — зависимость чувствительности микрофона от угла между его акустической осью и направлением на источник звука.

  Важными параметрами микрофона являются также уровень собственных шумов и выходное сопротивление. Очевидно, хороший микрофон должен быть малошумящим. Выходное сопротивление микрофона должно соответствовать входному сопротивлению аппаратуры, к которой он подключен.

  Вообще говоря, без учета условий применения при решении конкретных задач нельзя утверждать, что микрофон с теми или иными характеристиками хуже или лучше. Не для всех параметров также справедливо утверждение: «Чем значение выше, тем лучше».

  Например, микрофон с высокой чувствительностью хорош в подслушивающем устройстве для записи звука с большого расстояния. Но тот же микрофон малопригоден в руке солиста, поющего в сопровождении оркестра, т. к. он будет воспринимать не только голос певца, но и искаженные при распространении звуки музыкальных инструментов. Для правильной передачи звучания басовых музыкальных инструментов не обязательно использовать микрофон с высокой верхней граничной рабочей частотой. Хотя, чем шире рабочий диапазон частот (чем меньше нижняя и больше верхняя граничные частоты), тем универсальнее микрофон.

  1.2. ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СИГНАЛОВ

  1.2.1. Угольный микрофон

  

  Основным прибором телефонной связи, преобразующим звуковые колебания в электрические сигналы, является уголь­ный микрофон (Мк). Он представляет собой капсюль 1, на­полненный угольным порошком 2 (рис. 1). В порошок вве­дены подвижный 3 и неподвижный 4 электроды, с помощью которых микрофон включается в электрическую цепь. Под­вижный электрод соединен с мембраной 5, приводимой в дви­жение под влиянием оказываемого на нее звукового давления.

  Перемещение подвижного электрода вместе с мембраной про­исходит на величину, пропорциональную мгновенному значе­нию звукового давления и вызывает изменение плотно­сти угольного порошка, а следовательно, его сопро­тивление. В результате это­го изменяется ток, протекаю­щий от источника Е₀ через микрофон, т. е. в цепи микро­фона появляется переменная составляющая тока, пропор­циональная переменной со­ставляющей звукового дав­ления, и ЭДС источника Е₀.

  Следовательно, угольный микрофон выполняет две функ­ции. Во-первых, он преобразует звуковые сигналы в электри­ческие. Во-вторых, электрические сигналы возникают в резуль­тате преобразования энергии источника постоянного тока Е₀. Этот процесс сопровождается усилением сигналов.

  В состоянии покоя через микрофон протекает постоянный ток и под его действием образуются контактные мостики с по­ниженным сопротивлением. Наличие этих мостиков определяет величину статического сопротивления К_c, которая зависит так­же от положения микрофона и величины тока или напряжения питания. При воздействии звуковых колебаний контактные мо­стики разрушаются и среднее динамическое сопротивление R_дин возрастает по сравнению со статическим (рис. 2).

  

  Приведем количественное описание процессов в угольном микрофоне.

  Величина переменной составляющей сопротивления с ам­плитудой R_m обусловлена переменной составляющей гармони­ческого звукового колебания P_mcosωt.

  Полное сопротивление угольного микрофона в динамическом режиме изменяется при этом по закону

  

  

  Используя выражение (1.7) и эквивалентную схему (рис.3), можно определить ток, протекающий по сопротив­лению нагрузки R_н:

  

  Введя в выражение (1.8) обозначение R_дин + R_н = R₀, полу­чим

  

  Отношение R_m/R₀ называют коэффициентом модуляции и обозначают через т. Используя это обозначение и применив к выражению (1.9) разложение в биноминальный ряд, не­трудно получить.

  

  

  Поскольку , то формула (1.10)

  преобразуется к виду

  

  В выражении тока микрофона (1.11) помимо постоянной составляющей и основной гармоники звукового сигнала со­держатся вторая и более высокие гармонические составляю­щие, наличие которых свидетельствует о нелинейных искаже­ниях сигнала.

  Если ограничиться рассмотрением амплитуд первой и вто­рой гармоник тока микрофона в формуле (1.11), то величину коэффициента нелинейных искажений можно оценить как

  

  Для того, чтобы нелинейные искажения не вызывали чрез­мерного ухудшения разборчивости речи, коэффициент гармо­ник низкочастотного тракта диспетчерской связи не должен превышать 0,1—0,15. Следовательно, коэффициент модуляции m согласно соотношению (1.12) может достигать наибольших значений 0,2—0,3.

  Мощность гармонического сигнала, развиваемая микрофо­ном в нагрузке, определяется по первой гармонике тока:

  

  

  где , как это следует из выражения (1.11).

  С учетом ранее принятых обозначений равенство (1.13) приводится к виду

  

  Поскольку увеличивать мощность за счет роста коэффи­циента модуляции нежелательно из-за ограничений по уровню нелинейных искажений, то следует выяснить влияние осталь­ных величин, входящих в выражение (1.14). Увеличение на­пряжения питания должно вести к увеличению мощности си­гнала. Однако это привело бы к росту тока микрофона и уве­личению мощности, рассеиваемой на сопротивление угольного порошка. Тепловые процессы вызывают спекание угольных зе­рен. Сначала это проявляется на уменьшении переменной со­ставляющей тока микрофона и снижении мощности сигнала. По мере развития процесса возникают необратимые измене­ния параметров микрофона.

  Изменение сопротивления нагрузки R_н оказывает влияние на величину мощности сигнала. Причем она падает до нуля при R_н=0 и R_н=∞. Из этого следует, что P_~ принимает максимальное значение при некоторой величине R_н.opt. Исполь­зуя известное правило отыскания оптимума

  

  (P_~)_Ra =

  что соответствует режиму согласования.

  Максимальная мощность, выделяемая в согласованной нагрузке, как вытекает из выражения (1.14) и (1.15), составляет

  

  P_~max = (1.16)

  Ток питания микрофона, определяемый из выражения (1.11) соотношением

  E₀/R₀, представляет собой параметр, за­висящий от типа и сопротивления микрофона. В микротеле­фонных трубках аппаратов телефонной и громкоговорящей связи применяются микрофонные капсюли типа МК-14 и МК-16 (рис.4). Они разделяются по сопротивлению на три группы, указанные в табл. 1.2, и должны питаться соответ­ственно указанными в ней токами.

  Похожие публикации:

  1. Из чего делают моторное масло
  2. Какие операции выполняют при то 1
  3. Скол на двери автомобиля до металла как заделать
  4. Что такое сайлентблоки в автомобиле