Акустоэлектрические преобразователи

Акустическая энергия, возникающая при речи, может вызвать механические колебания элементов электронной аппаратуры, что в свою очередь приводит к появлению электромагнитного излучения или к его изменению при определенных обстоятельствах. Наиболее чувствительными к акустическим воздействиям элементами радиоэлектронной аппаратуры являются катушки индуктивности и конденсаторы переменной емкости (рис. 17)

.

Индуктивные преобразователи

Если в поле постоянного магнита поместить катушку индуктивности (рамку) (рис. 18) и вращать ее хотя бы посредством воздушного потока, то на ее выходе появится ЭДС индукции

. Воздушный поток переменной плотности возникает при человеческой речи. Раз так, то можно ожидать, что под воздействием речи ее воздушного потока будет вращаться и катушка (рамка), что вызовет пропорционально изменяющуюся ЭДС индукции на ее концах. Так можно связать акустическое воздействие на проводник в магнитном поле с возникающей ЭДС индукции на его концах. Это типичный пример группы индукционных акустических преобразователей. Представителем этой группы является, например, электродинамический преобразователь (рис. 19)

. Рассмотрим акустическое воздействие на катушку индуктивности с сердечником. Механизм и условия возникновения ЭДС индукции в такой катушке сводятся к следующему.

1. Под акустическим давлением Р появляется вибрация корпуса и обмотки катушки.

2. Вибрация вызывает колебания проводов обмотки в магнитном поле, что и приводит к появлению ЭДС индукции на концах катушки.

Эта ЭДС может быть подсчитана по формуле:

где - магнитный поток, замыкающийся через сердечник,

- магнитный поток, замыкающийся через обмотки по воздуху,

- вектор магнитной индукции,

- магнитная проницаемость сердечника,

- магнитная постоянная,

угол между вектором и осью сердечника,

- угол между вектором и осью катушки,

- площадь поперечного сечения сердечника,

- площадь поперечного сечения катушки.

Индуктивные преобразователи подразделяются на электромагнитные, электродинамические и магнитострикционные.

К электромагнитным преобразователям относятся такие устройства, как громкоговорители, электрические звонки (в том числе и вызывные звонки телефонных аппаратов), электрорадиоизмерительные приборы.

Примером непосредственного использования этого эффекта для цепей акустического преобразования является электродинамический микрофон (рис. 20)

.ЭДС на выходе катушки определяется по формуле:

где L - индуктивность,

k - коэффициент, зависящий от соотношения,

/ - длина намотки катушки,

d - диаметр катушки,

мо - магнитная проницаемость,

S - площадь поперечного сечения катушки,

N - число витков катушки.

Возникновение ЭДС на выходе такого преобразователя принято называть микрофонным эффектом. Можно утверждать, что микрофонный эффект способен проявляться как в электродинамической, так и в электромагнитной, конденсаторной и других конструкциях, широко используемых в микрофонах самого различного назначения и исполнения.

Микрофонный эффект электромеханического звонка телефонного аппарата

Электромеханический вызывной звонок телефонного аппарата - типичный образец индуктивного акустоэлектрического преобразователя, микрофонный эффект которого проявляется при положенной микротелефонной трубке. На рис. 21 приведена схема телефонного аппарата, а на рис. 22 - схема вызывного звонка

.ЭДС микрофонного эффекта звонка может быть определена по формуле

:где? - акустическая чувствительность звонка,

Р - акустическое давление

.V - магнитодвижущая сила постоянного магнита,

S - площадь якоря (пластины),

мо- магнитная проницаемость сердечника,

W - число витков катушки,

Sм- площадь полосного наконечника,

d - величина зазора,

Zм - механическое сопротивление

. По такому же принципу (принципу электромеханического вызывного звонка) образуется микрофонный эффект и в отдельных типах электромеханических реле различного назначения (рис. 23) и даже в электрических вызывных звонках бытового назначения

. Акустические колебания воздействуют на якорь реле. Колебания якоря изменяют магнитный поток реле, замыкающийся по воздуху, что приводит к появлению на выходе катушки реле ЭДС микрофонного эффекта.

Микрофонный эффект громкоговорителей

Динамические головки прямого излучения, устанавливаемые в абонентских громкоговорителях имеют достаточно высокую чувствительность к акустическому воздействию (2-3 мВ/Па) и сравнительно равномерную в речевом диапазоне частот амплитудно-частотную характеристику, что обеспечивает высокую разборчивость речевых сигналов. Схема динамической головки представлена на рис. 24.

где? - акустическая чувствительность,

I - длина проводника, движущегося в магнитном поле с индукцией В,

В - магнитная индукция,

S - площадь поверхности, подверженной влиянию давления акустического поля,

Zm - механическое сопротивление.

Известно, что абонентские громкоговорители бывают одно- и многопрограммными. В частности, у нас находят достаточно широкое распространение трехпрограммные громкоговорители.

Трехпрограммные абонентские громкоговорители в соответствии с ГОСТом 18-286-88 (приемники трехпрограммные проводного вещания) имеют основной канал (НЧ) и каналы радиочастоты (ВЧ), включенные через усилитель-преобразователь. Усилитель-преобразователь обеспечивает преобразование ВЧ сигнала в НЧ сигнал с полосой порядка 100-6300 Гц за счет использования встроенных гетеродинов. Так, например, в трехпрограммном громкоговорителе "Маяк-202" используются два гетеродина для второй и третьей программ ВЧ. Один вырабатывает частоту 78 кГц, другой - 120 кГц.

Наличие сложной электронной схемы построения трехпрограммных громкоговорителей (обратные связи, взаимные переходы, гетеродины) способствует прямому проникновению сигнала, наведенного в динамической головке, на выход устройства (в линию). Не исключается и излучение наведенного сигнала на частотах гетеродина (78 и 120 кГц).

Микрофонный эффект вторичных электрочасов

Исполнительное устройство вторичных электрочасов представляет собой шаговый электродвигатель, управляемый трехсекундными разно-полярными импульсами напряжением ± 24в, поступающими с интервалом 57 сек. от первичных электрочасов. Микрофонный эффект вторичных часов, обусловленный акустическим эффектом шагового электродвигателя, проявляется в основном в интервалах ожидания импульсов управления. Схематически устройство шагового двигателя представлено на рис. 25.

Степень проявления микрофонного эффекта вторичных электрочасов существенно зависит от их конструкции: в пластмассовом, деревянном или металлическом корпусе; с открытым или закрытым механизмом; с жестким или "мягким" креплением.

Микрофонный эффект электроизмерительных приборов

В магнитоэлектрическом измерительном приборе имеются неподвижный постоянный магнит и подвижная рамка, которая поворачивается вокруг своей оси под воздействием собственного магнитного поля, создаваемого измеряемым напряжением, и магнитного поля постоянного магнита. Рамка соединена со стрелкой, конец которой перемещается по школе измерения (рис. 26).

Рис. 26. Устройство магнитоэлектрического измерительного прибора

Если акустические колебания воздействуют на рамку, она вращается под их давлением, и на ее концах возникает ЭДС индукции. Практически аналогичная ситуация будет и при воздействии акустических колебаний на электромагнитный измерительный прибор. Различие между магнитоэлектрическим и электромагнитным приборами сводится к тому, что в электромагнитном приборе вместо постоянного используется электромагнит.

Следует отметить, что ЭДС микрофонного эффекта возникает и может использоваться в состоянии покоя приборов, когда они не используются для конкретных измерений.

Микрофонный эффект трансформаторов

Представителем индукционных акустоэлектрических преобразователей являются различные трансформаторы (повышающие, понижающие; входные, выходные, питания и др.).

Трансформатор состоит из замкнутого сердечника, сделанного из мягкой стали или феррита, на котором имеются как минимум две изолированные друг от друга катушки (обмотки) с разным числом витков (рис. 27)

. Акустическое влияние на сердечник и обмотку трансформатора (например, на входной трансформатор усилителя звуковых частот) приведет к появлению микрофонного эффекта. Если ЭДС индукции Емэ появляется в первичной обмотке, то во вторичной обмотке она увеличится на величину коэффициента трансформации.

Магнитострикционные преобразователи

Магкитострикция - изменение размеров и формы кристаллического тела при намагничивании - вызывается изменением энергетического состояния кристаллической решетки в магнитном поле и, как следствие, расстояний между узлами решетки. Наибольших значений магнитострикция достигает в ферро- и ферритомагнетиках, в которых магнитное взаимодействие частиц особенно велико.

Обратное по отношению к магнитострикции явление - Виллари эффект, заключающийся в изменении намагниченности тела при его деформации. Виллари эффект обусловлен изменением под действием механических напряжений доменной структуры ферромагнетика, определяющей его намагниченность. В усилителях с очень большим коэффициентом усиления входной трансформатор на ферритах способен при определенных условиях вследствие магнитострикционного эффекта преобразовывать механические колебания в электрические.

Емкостные преобразователи

Емкостные преобразующие элементы превращают изменение емкости в изменение электрического потенциала, тока, напряжения.

Рис. 28. Емкостный преобразователь

Конденсатор формируется из двух пластин (рис. 28), разделенных слоем диэлектрика (воздух, парафин и др.), а его емкость определяется из выражения

: где? - диэлектрическая проницаемость диэлектрика,

S - площадь поверхности каждой пластины,

d - расстояние между пластинами.

Из этого соотношения следует, что емкость конденсатора зависит от расстояния между пластинами. При наличии в цепи емкости постоянного источника тока и нагрузки воздействующее на пластины акустическое давление, изменяя расстояние между пластинами, приводит к изменению емкости. Изменение емкости приводит к изменению сопротивления цепи и, соответственно, к изменению сопротивления и падению напряжения на сопротивлении нагрузки пропорционально акустическому давлению.

Эти зависимости используются в конструкции конденсаторных микрофонов. Принципиальная схема такого микрофона приведена на рис. 29

. Когда на микрофон действует волна звукового давления, диафрагма движется относительно неподвижного электрода - жесткой пластины. Это движение вызывает переменное изменение электрической емкости между диафрагмой и задней пластиной, а следовательно, производит соответствующий электрический сигнал на выходе.

Конденсаторы переменной емкости с воздушным диэлектриком являются одним из основных элементов перестраиваемых колебательных контуров генераторных систем. Они устроены так, что система пластин вдвигается в другую систему пластин, образующих батарею конденсаторов

переменной емкости (рис. 30)

. На такой конденсатор акустическое давление оказывается довольно просто, изменяя его емкость, а соответственно, и характеристики устройства, в котором он установлен, и приводя к появлению неконтролируемого канала утечки информации.

Поиск по сайту: