Elektroakustické měniče

Štěpánka Kubínová

Elektroakustické měniče

zachytávají zvukové vlny, které mění na vlny elektrické (časově proměnný elektrický proud) a naopak

V případě převodu zvukového vlnění na elektrické střídavé proudy nazýváme takový měnič mikrofonem, v případě převodu střídavých proudů na akustické vlny hovoříme o reproduktoru

Elektroakustické měniče elektroakustické měniče provádějí

žádanou změnu přímo – mění např. akustickou energii na

elektrickou nepřímo – např. akustický tlak ovlivňuje

velikost elektrického proudu

Přímé akustické měniče mohou sice pracovat v obou smyslech, avšak konstrukčně jsou uzpůsobeny tak, aby nejlépe vyhovovaly pouze jednomu účelu

Elektroakustické měniče

přeměna probíhá ve dvou fázích – akustická vlna se přemění na mechanické kmity, které se přemění na elektrický proud, nebo elektrický proud vyvolá mechanické kmity, které se přemění v akustický signál

Druhy měničů Obecně se jako měniče používají

následující: elektrodynamický měnič elektromagnetický měnič magnetostrikční měnič elektrostatický měnič piezoelektrický měnič odporový měnič

Elektrodynamický měnič Princip vzájemného působení dvou

magnetických polí Jedno je tvořeno permanentním

magnetem, druhé je vytvářeno vodičem jako vysílač → vodičem prochází

signální proud, vyvolá v něm magnetické pole a vodič se dá do pohybu

Jako přijímač → převede se akustický signál na pohyb vodiče, následkem kterého se ve vodiči indukuje napětí

Elektromagnetický měnič využívá se v rozmezí 300 až 3 400 Hz v

telefonním sluchátku Princip elektromagnetu jako přijímač → využívá změn

magnetického toku, způsobených pohybem feromagnetické kotvy vlivem zvukových vln (indukuje se v cívce napětí)

jako vysílač → využívá síly, která vznikne v kotvě při průchodu proudu závity cívky

Magnetostrikční měnič využívá vlastností feromagnetických

látek deformovat se v magnetickém poli síla deformující materiál je přímo

úměrná proudu, kterým se budí magnetické pole

obrácený jev sice existuje, avšak nevyužívá se

tyto měniče se používají v oblasti ultrazvuku

Elektrostatický měnič princip deskového kondenzátoru, jehož jedna

deska je pohyblivá jako přijímač → dopadající zvuková vlna mění

vzdálenost mezi elektrodami a tím i kapacitu kondenzátoru (využívá změn napětí na kondenzátoru při změnách jeho kapacity a konstantním náboji →posune -li se pohyblivá deska deskového kondenzátoru působením síly F při dopadu zvukové vlny o výchylku y, změní se kapacita kondenzátoru o malou hodnotu ∆C)

jako vysílač → pak přiložené signálové napětí vyvolá změnu směru a velikosti síly, jíž je vychylována pohyblivá deska kondenzátoru

Piezoelektrický měnič využívá tzv. piezoelektrický jev, při

kterém krystaly některých látek vykazují na svých stěnách elektrický náboj při jejich mechanické deformaci a opačně, po přiložení náboje se deformují

nejčastěji je používána Seignettova sůl nebo silným elektrickým polem polarizovaná piezokeramika (titanát barya - BaTi03)

Odporový měnič používá se pouze u mikrofonu princip - pohyb membrány stlačuje

zrnka odporového materiálu a tím jeho odpor mění

mění akustickou energii na elektrickou nepřímo

Mikrofony

Téměř všechny mikrofony obsahují membránu, což je tenká vrstva, která se pohybuje v souladu s proměnlivým tlakem, který vyvolává dopadající zvuková vlna

Pohybem membrány se pak mění dopadající zvukové vlnění na elektrický proud

Dělení mikrofonů Podle způsobu přeměny dopadající

mechanické(akustické) energie na elektrickou energii se mikrofony dělí na: odporové mikrofony (nazývané též uhlíkové

mikrofony) elektrodynamické mikrofony elektromagnetické mikrofony krystalové mikrofony elektrostatické mikrofony (nazývané též

kondenzátorové mikrofony) tepelné mikrofony

Mikrofony Dělíme-li mikrofony podle způsobu

působení akustického pole na membránu rozeznáváme:

mikrofony tlakové – ovládané akustickým tlakem

mikrofony pohybové – ovládané akustickou rychlostí

mikrofony gradientní – ovládané rozdílem akustických tlaků, čili gradientem

Vlastnosti mikrofonů

citlivost – udává poměr výstupního napětí k tlaku na membránu, citlivost většinou udáváme v milivoltech na bar nebo v mV/Pa (udává se většinou při kmitočtu 1 kHz)

amplitudová kmitočtová charakteristika – udává závislost citlivosti na kmitočtu (závislost výstupního napětí mikrofonu při konstantním akustickém tlaku na kmitočtu

směrová charakteristika – udává závislost citlivosti na směru dopadu zvukové vlny

Amplitudová kmitočtovácharakteristika mikrofonu

Směrové charakteristiky mikrofonu při kmitočtu 1000 Hz

kulová, osmičková, kardiodní (ledvinová)

Směrová charakteristika mikrofonu - ledvinová

Směrová charakteristika mikrofonu - superledvinová

Směrová charakteristika mikrofonu - osmičková

Odporový (uhlíkový) mikrofon založený na změnách odporu uhlíkových

zrnek stlačovaných membránou vrstva uhlíkových zrnek je z jedné strany

uzavřena pružnou kovovou membránou a z druhé zvlněnou uhlíkovou destičkou

membrána se dopadem zvukového vlnění rozkmitá, zrnka uhlíku se stlačují a s měnícím se tlakem se mění i elektrický odpor uhlíkové vrstvy

Odporový (uhlíkový) mikrofon

Tyto mikrofony jsou velmi citlivé, ale poměrně značně zkreslují zvuk a mají velký šum

používají se hlavně v telefonních přístrojích nebo v zařízeních, kde příliš nezáleží na věrnosti zvuku

Odporový (uhlíkový) mikrofon

Elektrodynamický cívkový mikrofon

skládá se z magnetického obvodu trvalého magnetu, v jehož kruhové vzduchové mezeře mezi pólovými nástavci a trnem je umístěna kmitající cívka,spojená s lehkou a na o krajích zvlněnou membránou

membrána kmitá při dopadu zvukových vln pístovým pohybem

Elektrodynamický cívkový mikrofon

1 pólové nástavce

2 membrána 3 cívka, 4 trn 5 magnet 6 pomocné

akustické obvody

7 otvor

Elektrodynamický mikrofon

Elektrostatický mikrofon

Membrána z plastické látky několik mikrometrů tlustá, z vnější strany pozlacená, je napjata v kovovém rámečku

Izolační podložkou je membrána udržována ve vzdálenosti několika desítek mikrometrů od povrchu pevné elektrody, která je opatřena několika velmi jemnými otvory, sloužícími k pozvolnému vyrovnávání tlaku vzduchu v prostoru mezi elektrodami při změně atmosférického tlaku

Elektrostatický mikrofon je nejkvalitnější studiový mikrofon

Elektrostatický mikrofon

Reproduktory Reproduktory je možné rozdělit podle

způsobu vyzařování na dva základní druhy: přímo vyzařující - akustická energie je

vyzařována kmitající membránou, navazující bezprostředně na prostředí, do něhož je energie přenášena

nepřímo vyzařující - mezi kmitající membránu elektroakustického převodníku je vložen zvukovod (nebo zvukovod doplněný pomocnými akustickými obvody)

Reproduktory

další dělení reproduktorů: 1. elektrodynamické reproduktory 2. elektromagnetické reproduktory 3. piezoelektrické reproduktory 4. elektrostatické reproduktory 5. speciální reproduktory (tepelné,

pneumatické, …)

Základní parametry reproduktorů

Účinnost reproduktoru je poměr vyzářeného akustického výkonu k elektrickému příkonu (u přímo vyzařujících reproduktorů bývá 3 až 5%,u nepřímo vyzařujících je až deseti násobná)

Citlivost reproduktoru je dána průměrným akustickým tlakem v ose reproduktoru ve vzdálenosti 1 m při příkonu 1 VA (udává se v decibelech ve vztahu k úrovni 2.10 -5 Pa)

Vlastnosti reproduktorů Směrová

charakteristika reproduktoru je závislost akustického tlaku před reproduktorem na úhlu, který svírá osa reproduktoru a spojnice reproduktoru a měřícího mikrofonu (eventuelně posluchače)

Rozdělení reproduktorů Žádný z reproduktorů sám kvalitně

neobsáhne celé slyšitelné pásmo pro účinné vyzáření hlubokých tónů

totiž musí mít membrána velké rozměry, velkou hmotnost a velkou poddajnost

Pro účinné vyzáření vysokých frekvencí musí mít naopak malé rozměry, malou hmotnost a velkou tuhost

Rozdělení reproduktorů

Hlubokotónové – pásmo asi 20 až 4000Hz

Středotónové – 100 až 6000Hz Vysokotónové – 1 až 16 až 20kHz

Elektrodynamický reproduktor

Jedná se v současné době o nejrozšířenější typ reproduktoru

Základním principem je silové působení na vodič, kterým protéká elektrický proud, umístěný v magnetickém poli

Elektrodynamický reproduktor

Piezoelektrický reproduktor

Využívá se skutečnosti, že u některých materiálů vzniká působením elektrického pole mechanické napětí

Toto napětí vyvolává síly, které mechanicky deformují materiál

Vhodným uspořádáním se tato deformace převádí na výchylku kmitacího systému

Nejrozšířenější piezoelektrické reproduktory využívají keramické měniče

Většinou jsou vyráběny se zvukovody Používají se pro reprodukci středních a zvláště

pak vysokých frekvencí

Piezoreproduktor

Elektrostatický reproduktor

pracuje na principu vzájemného přitahování a odpuzování elektricky nabitých desek

funkce je inverzní k funkci elektrostatického mikrofonu (pevná a pohyblivá elektroda)

tenká membrána je umístěna proti pevné elektrodě izolovaně v malé vzdálenosti

mezi membránou a pevnou elektrodou je připojeno stejnosměrné polarizační napětí

pohyb membrány odpovídá změně náboje způsobené přivedeným nízkofrekvenčním signálem

používají se pro reprodukci vysokých tónů

Elektrostatický reproduktor