Основные соотношения электроакустического преобразователя

Представим обратимый ЭП структурной схемой (рис. 1), на вход которого (блок 1) подводится электрическая энергия. Она частично превращается в энергию механических колебаний подвижной системы (блок 2), а затем в блоке 3 происходит частичное превращение механической энергии в энергию звукового поля. Определение последней составляет задачу расчета режима излучения преобразователя. В режиме приема происходит преобразование энергий, проходящее те же этапы в обратном направлении.

Рис. 1. Структурная схема обратимого ЭП: 1 - электрическая; 2 - механическая; 3 - акустическая части

В преобразовании энергии участвуют описывающие ее четыре параметра. Для электрического поля основными параметрами, характеризующими энергию, являются напряжение U и ток I, а для акустического — сила F и колебательная скорость v. Будем рассматривать преобразователь как своеобразный четырехполюсник с акустической и электрической сторонами (пунктир на рис. 1). Предполагается, что акустическая и электрическая энергии поступают в преобразователь, каждая со своей стороны.

Согласно общей теории обратимого линейного преобразователя, уравнения двустороннего электромеханического преобразования представляются следующими комплексными зависимостями между переменными величинами на входе и на выходе:

U = ZI + K₁v; F = zv + K₂I. (1.1)

Верхний знак относится к так называемым индуктивным, нижний - к емкостным преобразователям. В первых преобразователях движение вызывается электродинамическими силами взаимодействия токов и их магнитных полей, а токи создаются ЭДС, возбуждаемыми движениями магнитных полей или проводников. Во вторых преобразователях движение обусловлено электростатическими силами взаимодействия между заряженными телами, а разности потенциалов вызываются изменением относительного расположения заряженных тел. Будем анализировать чисто периодические процессы с круговой частотой ω = 2π f, что не ограничивает общности рассмотрения, так как все временные зависимости можно с помощью преобразования Фурье перевести в периодические процессы.

Обозначим Z = Z₀ в выражении (1.1) как собственное электрическое сопротивление преобразователя при полностью заторможенном акустическом блоке (мембране) (v = 0), т. е. в режиме короткого акустического замыкания. Величина z = z₀ - собственное механическое сопротивление преобразователя в отсутствии электрической нагрузки (I = 0), т. е. на холостом ходу. Величины К_1,2-коэффициенты преобразования, которые и характеризуют устройство.

Для обратимого преобразователя

(1.2)

соответственно, при I = 0 и v = 0. У четырехполюсника, к которому применим принцип взаимности, коэффициенты К₁ и К₂ равны. Отсюда

(1.3)

Эта важная формула выражает теорему взаимности и описывается следующим образом. Если к электрической стороне преобразователя приложено напряжение, вызывающее на механической стороне скорость, а при действии на механическую сторону силы, вызывающей на электрической стороне ток, то имеет место равенство модулей отношений напряжения к скорости и силы к току.

В общем случае рассмотрения преобразователей это не верно, равенство соблюдается только по абсолютным значениям, в связи с чем их и называют "симметрично-мощностными" четырехполюсниками. Если К - величина чисто мнимая, то полностью применим принцип взаимности. Коэффициент K называют коэффициентом электромеханической связи.

Физические принципы преобразования

Рассмотрим физический смысл и принципиальное значение коэффициента электромеханической связи.

В ЭП используют два физических явления. Первое - это силовое воздействие на заряды в электрическом поле, второе - это силовое воздействие на электрический ток в магнитном поле. Отсюда возникли четыре основных направления в разработке ЭП.

Электродинамический преобразователь. Принцип действия таких преобразователей, наиболее часто встречающихся на практике, основывается на использовании закона индукции. Переменные магнитные поля индуцируют в электрических проводниках напряжение, кроме того, с магнитными полями связано возникновение электродинамических сил. На рис. 2 показана принципиальная схема электродинамического преобразователя.
Рис. 2. Электродинамический преобразователь

Его работа заключается в следующем. Очень легкая катушка 3, через которую протекает ток, помещается в зазор между полюсами постоянного магнита 2. Одно целое с катушкой составляет жесткая мембрана 4, укрепленная на упругой подвеске 1. Магнитная индукция в зазоре постоянного магнита равна BQ, и если через l выражается длина провода на катушке, то приложенная к катушке сила, согласно закону Био-Савара, равна

F₀ =B₀ l I. (1.6)

Эта сила приводит в движение катушку и мембрану. На этом принципе основана работа электродинамического громкоговорителя (Гр).

С другой стороны, если находящийся в магнитном поле проводник будет приведен в движение со скоростью v, то в нем возникнет ЭДС

E₀ =B₀ lv. (1.7)

На этом принципе основана работа электродинамического микрофона.

Из выражений (1.6) и (1.7) с учетом (1.3) можно определить коэффициент К для электродинамических преобразователей

K = B₀l (1.8)

Электростатический преобразователь. Принцип действия электростатических преобразователей основан на использовании закона Кулона о взаимном притяжении двух зарядов.

Для конденсатора, один электрод которого выполнен в виде диафрагмы (рис. 3) и подключен к источнику постоянного напряжения U, при колебании диафрагмы с переменной скоростью v будет создаваться переменная ЭДС

(1.9)

где d - расстояние между обкладками конденсатора при ω = 0; ω - частота колебаний. Это связано с тем, что при изменении d (за счет v) меняется емкость конденсатора

(1.10)

где ε₀ - электрическая постоянная; S - площадь обкладок, а следовательно, и его заряд

q = CU₀, (1.11)

что вызывает появление переменного тока. На этом принципе основано функционирование конденсаторного микрофона.

Рис. 3. Преобразователь электростатического типа: 1 - диафрагма; 2 - неподвижный электрод; 3 - изоляция

Работа конденсаторного Гр основана на том, что при протекании тока I, вызываемого приложенным к нему переменным напряжением U << U₀ , действует переменная сила

(1.12)

Учитывая выражения (1.3), (1.9) и (1.12), можно определить коэффициент электромеханической связи для элекфостатических преобразователей

(1.13)

В этом случае коэффициент К зависит от частоты передаваемых колебаний, что следует учитывать при конструировании преобразователей.

Аналогичным образом функционирует элекгретный микрофон. Он подобен конденсаторному, но разность потенциалов на обкладках конденсатора обеспечивается не внешним источником, а электрическим зарядом мембраны или неподвижного электрода, материалы которых отличаются тем, что способны сохранять этот заряд длительное время.

Рис. 4. Электромагнитный преобразователь при работе: а - на прием; б - на излучение

Электромагнитный преобразователь. В преобразователе этого вида использовано изменение магнитного потока магнита при изменении магнитного сопротивления или изменение силы притяжения якоря при изменении потока. Если мембрану 1 из ферромагнитного материала приближать или удалять от постоянного магнита 2 со скоростью v (рис. 4), т. е. изменять величину магнитного потока В, протекающего через сердечники катушек 3, то в них будет индуцироваться переменная ЭДС

E₀=B₀L_kv/n, (1.14)

где B₀ - индукция в магнитной цепи (в отсутствие колебаний); п - число витков в катушке; L_kиндуктивность катушки. Такие преобразователи применяют в наушниках телефонных аппаратов, микрофонах и звукоснимателях механических систем записи звука.

С другой стороны, если к катушкам приложить переменное напряжение U, создающее в них ток I, то при условии В < В₀ на мембрану будет действовать переменная сила

F₀ = B₀L_kI/n. (1.15)

Ввиду двух последних выражений электромеханический преобразователь электромагнитного типа имеет коэффициент электромеханической связи

(1.16)

Пьезоэлектрический преобразователь. Преобразователи этого типа основаны на использовании пьезоэлектрического эффекта, согласно которому на поверхности кристаллов, имеющих две разновидности атомов, возникают заряды, если к ним приложить механические силы, и возникают силы при воздействии на них электрических зарядов. Такими материалами, например, являются кварц, сегнетовая соль, титанат бария. Механизм возникновения заряда на поверхности в результате деформации кристалла показан на рис. 5. При сжатии кристалла и деформации поверхности со скоростью v на ней появляется переменная ЭДС

(1.17)

где е, h - длина и толщина пластины соответственно; kQ - коэффициент пьезоэффекта. Это прямой пьезоэффект, который используется в микрофонах.

Рис. 5. Механизм возникновения заряда на поверхности пьезоэлектрика

Если этот же материал поместить в переменное электрическое поле, т. е. подключить на электроды U, вызывающее ток I, то пластины будут испытывать переменную силу

(1.18)

Этот обратный пьезоэффект используется в излучателях. Для этих преобразователей коэффициент электромеханической связи

(1.19)

Занятие 6

Содержание: Методы и средства записи, хранения и воспроизведения информации на магнитных носителях. Принципы магнитной записи. Особенности процесса магнитной записи, воспроизведения и стирания сигналограмм. Воспроизведение магнитной записи. Основные физические закономерности. Шумы, помехи и искажения при магнитной записи. Шумы магнитной ленты. Аддитивные шумы и помехи. Выпадения сигналов.

Задание к практическому занятию:

1. Составить логическую схему базы знаний по содержанию блока.

2. Составить терминологический словарь.

3. Выполнить все пункты, перечисленные в разделе подготовительного этапа к практическому занятию.

Практическое занятие (деловая игра)

Цели: 1. Закрепить и углубить изучаемый материал студентами.

2. Уметь изложить свою точку зрения по вопросам обработки, хранения и передачи информации.

Участники: Студенты распределены на 3 подгруппы:

1-я подгруппа – заказчики (задающие вопросы);

2-я подгруппа – специалисты (отвечающие на вопросы);

3-я подгруппа – экспертная группа (оценивающие правильность формулировки вопросов и ответов на них).

Время: 90 минут.

1. Подготовительный этап (домашняя работа):

1. Подготовить материл по ранее выданной на текущее занятие (в конце предыдущего занятия) преподавателем теме:

- составить план блока;

- составить терминологический словарь: выписать встречаемые в тексте блока термины и дать им расшифровку;

2. По содержанию блока составить до десяти вопросов.

3. Быть готовыми ответить на вопросы по рассматриваемой теме. Уметь оценить вопросы и ответы участников будучи в подгруппе экспертов.

4. Оформить домашнюю работу в виде отчета.