Elektroakustické měniče

Elektroakustické měniče převádějí energii zvukového vlnění na elektrické střídavé proudy a nao-pak střídavé proudy na akustické vlny. V případě převodu zvukového vlnění na elektrické střídavéproudy nazýváme takový měnič mikrofonem, v případě převodu střídavých proudů na akustické vlnyhovoříme o reproduktoru. Elektroakustické měniče provádějí žádanou změnu buď přímo – mění např.akustickou energii na elektrickou, nebo nepřímo – např. akustický tlak ovlivňuje velikost elektrickéhoproudu. Přísně vzato, probíhá u všech dosavadních měničů přeměna ve dvou fázích – akustická vlnase přemění na mechanické kmity, které se přemění na elektrický proud, nebo elektrický proud vyvolámechanické kmity, které se přemění v akustický signál. Ten díl akustického měniče, kde dochází k pře-měně akustického signálu na mechanické kmity nebo naopak, se zpravidla nazývá membrána. Příméakustické měniče mohou sice pracovat v obou smyslech, avšak konstrukčně jsou uzpůsobeny tak, abynejlépe vyhovovaly pouze jednomu účelu.

Obecně se jako měniče používají následující:

• Elektrodynamický měnič – jeho činnost je založena na principu vzájemného působení dvou mag-netických polí. Jedno je tvořeno permanentním magnetem, druhé je vytvářeno vodičem. Pracujeliměnič jako vysílač, pak vodičem prochází signální proud, vyvolá v něm magnetické pole a vo-dič se dá do pohybu. V případě, že je měnič přijímačem, převede se akustický signál na pohybvodiče, následkem kterého se ve vodiči indukuje napětí.

• Elektromagnetický měnič – pracuje na principu elektromagnetu. Pracuje-li měnič jako přijímač,indukuje se v cívce napětí, pracuje-li jako vysílač, využívá síly, která vznikne v kotvě při průchoduproudu závity cívky.

• Magnetostrikční měnič – využívá vlastností některých feromagnetických látek deformovat sev magnetickém poli. Síla deformující materiál je přímo úměrná proudu, kterým se budí magne-tické pole. Obrácený jev sice existuje, avšak nevyužívá se. Tyto měniče se používají v oblastiultrazvuku.

• Elektrostatický měnič – pracuje na principu deskového kondenzátoru, jehož jedna deska je po-hyblivá. Pracuje-li měnič jako přijímač, pak dopadající zvuková vlna mění vzdálenost mezi elek-trodami a tím i kapacitu kondenzátoru, pracuje-li jako vysílač, pak přiložené signálové napětívyvolá změnu směru a velikosti síly, jíž je vychylována pohyblivá deska kondenzátoru.

• Piezoelektrický měnič – využívá tzv. piezoelektrický jev, při kterém krystaly některých látek vy-kazují na svých stěnách elektrický náboj při jejich mechanické deformaci a opačně, pop přiloženínáboje se deformují.

• Odporový měnič – používá se pouze u mikrofonu, pohyb membrány stlačuje zrnka odporo-vého materiálu a tím jeho odpor mění, měnič mění akustickou energii na elektrickou nepřímo.

Podrobný popis měničů je v [MF81], [HBN86] a [Bo98].

1

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

Mezi vlastnosti mikrofonů mimo jiné patří:

• Citlivost – udává poměr výstupního napětí k tlaku na membránu. Je nutné uvést impedanci,kterou byl mikrofon při měření zatížen. Citlivost většinou udáváme v milivoltech na mbar nebov mV/Pa. Udává se většinou při kmitočtu 1 kHz.

• Amplitudová kmitočtová charakteristika – udává závislost citlivosti na kmitočtu.

• Směrová charakteristika – udává závislost citlivosti na směru dopadu zvukové vlny

Obr. 1. Amplitudová kmitočtová charakteristika mikrofonu

Obr. 2. Směrové charakteristiky mikrofonu při kmitočtu 1000 Hz:kulová, osmičková, kardiodní (ledvinová)

Elektrodynamický páskový mikrofon tvoří hliníkový příčně zvlněný pásek pohybující se mezi pólo-vými nástavci magnetického obvodu. Jeho citlivost je malá a je ho nutno zapojovat přes mikrofonnítransformátor.

Elektrodynamický cívkový mikrofon připomíná obecně známou konstrukci elektrodynamického repro-duktoru. Ve vzduchové mezeře je umístěna pohyblivá cívka spojená s membránou.

2

Obr. 3. Elektrodynamický cívkový mikrofon:1 pólové nástavce, 2 membrána, 3 cívka, 4 trn,5 magnet, 6 pomocné akustické obvody, 7 ot-vor

Kondenzátorový mikrofon je tvořen dvěma elektrodami, jedna je pevná, druhá pohyblivá, vzdále-nost mezi nimi je nepatrná. Někdy se pohyblivá elektrod navrtává, provrtává, zvětší se tím poddajnostelektrody. Změny kapacity kondenzátoru lze přeměnit na střídavé proudy při napájením stejnosměr-ným proudem zapojeným s velkým zatěžovacím odporem 50 až 100 MΩ, pak nabíjecí a vybíjecíproudy vyvolávají střídavé napětí, nebo se zapojují jako jedna větev kapacitního můstku, napájenéhovysokofrekvenčním proudem.

Obr. 4. Souměrné uspořádání elektrostatického mikrofonu

(1 membrána)

Obr. 5. Příklad elektromagnetického měniče – elektro-magnetický mikrofon (1 kryt, 2 základní deska, 3 cívka,4 kotva, 5 táhlo přenášející pohyb membrány na kotvu,6 membrána, 7 pólové nástavce, 8 magnet)

3

Charakteristickými vlastnosti reproduktorů jsou:

• Účinnost – je dána poměrem vyzářeného výkonu k elektrickému příkonu. Účinnost je velmi malá,jen asi 0,5 %. Pro obyčejné reproduktory střední velikosti je pak asi 3 až 5 %. Zvláště pečlivěkonstruované reproduktory se zvukovodem dosahují účinnosti až k 50 %.

• Kmitočtová charakteristika – udává závislost akustického tlaku na kmitotu při konstantnímbudícím napětí reproduktoru.

• Směrová charakteristika

• Výkon reproduktoru by se měl udávat akustickým výkonem, který je reproduktor s to odevzdat.Bohužel se většinou udává elektrický příkon, což bývá vzhledem k již zmiňované nízké účinnostizavádějící.

Co se týče typu reproduktoru, téměř výhradně se setkáváme s reproduktorem elektrodynamickým.

Obr. 6. Elektrodynamický přímo vyza-řující reproduktor: 1 poddajné okraje-membrány, 2 membrána, 3 cívka, 4 pó-lové nástavce, 5 magnetický trn, 6 uza-vření, 7 koš, 8 střední membrána

Použitá literatura

[Bo98] Bory, M.: Maturita ReZ 1997/98.

[HBN86] Hojka, J. – Boltík, J. – Nobilis, J.: Radioelektronická zařízení I. SNTL, Praha, 1986.

[MF81] Maťátko, J. – Foitová, E.: Elektronika pro 3. ročník SPŠ elektrotechnických. SNTL,Praha, 1981.

4