Принципы функционирования и основные характеристики микрофонов

В основе всех средств акустической разведки лежит использование микрофонов. Микрофоны - это преобразователи акустических колебаний в электрические. Большинство микрофонов является преобразователями акустической энергии в электрическую. Есть микрофоны, основанные на другом принципе - релейном. В них под действием акустических колебаний происходит преобразование энергии постоянного тока в энергию переменного тока [31]. К основным характеристикам микрофонов относятся: чувствительность, частотная характеристика, характеристика направленности (коэффициент направленности) и уровень собственного шума.

Чувствительность - это отношение напряжения U на входе микрофона к звуковому давлению Р, действующему на микрофон [31]:

E=U/P.(2.1)

Чувствительность определяется или по напряжению холостого хода, или по напряжению на номинальной нагрузке за которую обычно принимают внутреннее сопротивление микрофона на частоте 1000 Гц.

Звуковое давление в системе СИ измеряется в Ньютонах на квадратный метр. А единица измерения получила название Паскаль:

1 Н/м = 1 Па (Паскаль) [31].

Чувствительность микрофона зависит от частоты, поэтому вводится понятие средней чувствительности - среднеквадратическое значение в номинальном диапазоне частот. Причем усредняют чувствительность, измеренную на частотах, распределенных равномерно в логарифмическом масштабе [31].

Чувствительность, выраженная в децибелах относительно величины 1 В/Па, называетсяуровнем чувствительности.

Стандартным уровнем чувствительности называется выраженное в децибелах отношение напряжения Уд, развиваемого на номиналыюм сопротивлении нагрузки R", при звуковом давлении 1 Па, к напряжению, соответствующему мощности Ро = 1 мВт [31].

Зависимость уровня чувствительности от частоты называется частотной характеристикой. Ее неравномерность определяют в номинальном частотном диапазоне для данного типа микрофона.

Характеристика направленности - зависимость чувствительности микрофона в свободном поле от угла между рабочей осью микрофона (направлением, по которому микрофон имеет наибольшую чувствительность) и направлением на источник звука. Эту характеристику определяют на ряде частот или для полосы частот. Обычно приводят нормированную характеристику направленности, т.е. зависимость отношения чувствительности Eq, измеренной под углом q, к осевой чувствительности Ео [31]:

R(q)=Eq/Eo(2.2)

Большинство микрофонов имеет осевую симметрию. По характеристике направленности микрофоны, используемые для ведения акустической разведки, делятся на ненаправленные (односторонне направленные) и остронаправленные. Графическое представление характеристик направленности называютдиаграммой направленности, которую часто представляют в полярных координатах. Для учета величины уменьшения чувствительности под различными углами относительно осевого направления вводитсякоэффициент направленности G- отношение квадрата осевой чувствительности микрофона в свободном поле Еo к среднему из квадратов чувствительности по всем радиальным направлениям Еqs [31]:

G=Eo/Eqs(2.3)

Его определяют на ряде частот или для полосы частот. Даже в отсутствии какого-либо акустического сигнала около микрофона напряжение на его выходе не равно нулю. Наличие напряжения является следствием флюктуации частиц в окружающей среде, а также тепловых шумов сопротивлений в электрической части микрофона.

Уровень собственного шума микрофона L, приведенный к акустическому входу, определяют как уровень эквивалентного звукового давления Рш, при воздействии которого на микрофон получилось бы выходное напряжение, равное выходному напряжению микрофона Uш, развиваемого им в отсутствии звуковых колебаний [31]:

Микрофоны по принципу электромеханического преобразования делятся на электродинамические, электростатические, электромагнитные и релейные [31]. Электродинамические микрофоны по конструкции механической системы делятся на катушечные (динамические) и ленточные. Электростатические делятся на конденсаторные, в том числе и электретные, и пьезомикрофоны. Электромагнитные - на односторонние и дифференцированные. Релейные - на угольные и транзисторные.

По акустическим характеристикам микрофоны делятся на приемники давления, приемники градиента давления, комбинированные и групповые.

Характерной особенностью приемника давления является то, что его подвижная механическая система (например, диафрагма) открыта для действия звуковых волн только с одной стороны.

У приемника градиента давления подвижная механическая система открыта для звуковых волн с обеих сторон, поэтому на нее действует разность давлений волн падающей на фронтальную поверхность диафрагмы и огибающей её с тыльной стороны.

Для получения различных форм характеристик направленности обычно комбинируют приемники давления и градиента давления.

Одинаковые приемники для повышения направленности объединяют в группы. К ним относятся линейные группы и трубчатые приемники.

В средствах акустической разведки наиболее широко применяются динамические, конденсаторные и пьезомикрофоны.

Принцип действия динамического микрофона заключается в том, что катушка с намотанным на нее проводом, находящаяся в радиальном магнитном поле и жестко соединенная с диафрагмой, колеблется под действием звукового давления, пересекая силовые линии. Вследствие этого в ней индуцируется электродвижущая сила (ЭДС)[31].

Для создания магнитного поля обычно используют кольцевой магнит. Диафрагму изготовляют из легких, но прочных материалов.

Конденсаторный микрофон представляет собой конденсатор, один из элементов которого массивный, а второй - тонкая натянутая мембрана [31]. На конденсатор подается поляризующее напряжение Up через высокоомное сопротивление Rн. Источник поляризующего напряжения не расходует энергии, так как постоянной составляющей тока нет. При колебаниях мембраны емкость конденсатора Со изменяется, а так как заряд q остается постоянным (конденсатор не успевает перезаряжаться из-за большой постоянной времени t =Rн*Со), то изменяется напряжение на нем. Это дополнительное напряжение Ud и является ЭДС, возникающей от действия звукового давления на мембрану. Напряжение, получаемое на нагрузке, несколько меньше ЭДС из-за падения напряжения на емкости конденсатора.

В электретном микрофоне, в отличие от конденсаторного, поляризующее напряжение образовано предварительной электризацией одного из электродов, изготовляемого из полимеров или керамических поляризующихся материалов. Такой электрод имеет металлическое покрытие, которое по существу и является электродом конденсатора, а электрет служит лишь источником поляризующего напряжения. Поляризация электрета постепенно уменьшается и через несколько лет требуется или его замена, или повторная поляризация. В этом недостаток электретного микрофона по сравнению с конденсаторным, но и достоинство, так как для него не требуется источника напряжения. По механическим, акустическим характеристикам, а также по конструкции электретный микрофон ничем не отличается от конденсаторного [31].

В пьезомикрофонах используется явление пьезоэффекта [31]: при деформации пластинки, вырезанной из кварца, сегнетовой соли или других кристаллов, а также пьезокерамик (титана, бария и др.) происходит ее поляризация, т.е. выделение зарядов на плоскостях. Если пластину вырезать под определенным углом к оси кристалла, то можно получить поляризацию при деформации пластинки от ее поперечного изгиба. При наклеивании металлических электродов на две противоположные грани пластинки между ними получают разность потенциалов, пропорциональную величине деформации пластинки от поперечного изгиба. Для получения небольшого механического сопротивления при изгибе пластинку берут очень тонкой, а для получения наибольшего электрического сопротивления длину и ширину пластинки выбирают сравнительно большими.

Пьезомикрофоны относятся к электростатическому типу микрофонов, поскольку основные соотношения, управляющие процессами преобразования колебаний, сходны с происходящими в электростатических преобразователях, например типа электретных. Разница между ними заключается в том, что пьезоэлектрические преобразователи не требуют электрической поляризации: электрический заряд у них образуется при деформации. У электретных преобразователей имеющийся заряд как бы пульсирует в такт изменению емкости преобразователя, вызываемой деформацией электрета [31].