Вопрос. Электроакустические преобразователи – 20 минут

Электроакустические преобразователи предназначены для преобразования акустической энергии речи в электрическую на передающем конце телефонного тракта и обратного преобразования электрической энергии в акустическую на приемном конце. В некоторых преобразователях преобразование акустической энергии в электрическую происходит путем механического воздействия на преобразователь. Поэтому такие преобразователи иногда называют механоэлектрическими, хотя конечное назначение их — преобразовывать речевые сигналы в электрические. Независимо от места использования преобразователей, в дальнейшем все они будут называться сокращенно «преобразователи».

Преобразователи классифицируются по принципу действия и по назначению. По принципу действия они могут быть угольными, электромагнитными, электродинамическими, конденсаторными (электростатическими) и пьезоэлектрическими. Все эти системы преобразователи, кроме угольных, являются обратимыми, т. е. могут работать в качестве микрофонов и телефонов или громкоговорителей. Преобразователи угольной и конденсаторной системы являются активными, все остальные — пассивными, т. е. не требующими специального источника электропитания. Конденсаторные и пьезоэлектрические преобразователи не находят широкого применения в технике телефонной связи, поэтому они здесь не рассматриваются. По назначению преобразователи делятся на передающие — микрофоны и ларингофоны и приемные — телефоны и громкоговорители.

Принцип действия основных типов преобразователей. Угольные преобразователи. Принцип действия угольного преобразователя основан на свойстве угольного порошка изменять свое сопротивление электрическому току в зависимости от величины давления на порошок.

На рис. 1.1.12 приведена схема, поясняющая принцип устройства и действия угольного преобразователя (микрофона). Основными элементами его являются: камера К с угольным порошком УП, неподвижный электрод НЭ, подвижный электрод ПЭ и связанная с ним мембрана М.

При воздействии на мембрану звукового давления вместе с нею приходит в колебательное движение подвижный электрод, который подвергает угольный/порошок попеременному сжатию и разрежению. При этом в соответствии с изменением сопротивления угольного порошка изменяется ток в цепи микрофона. При разомкнутой внешней цепи на зажимах вторичной обмотки возникает напряжение звуковой частоты, которое и рассматривается как э.д.с., развиваемая микрофоном. При замыкании внешней цепи на то или иное нагрузочное сопротивление в ней появится ток нагрузки. Для установления зависимости между током в цепи микрофона i и давлением, действующим на его мембрану, сделаем допущение, что при звуковом давлении p = p_m sinω t сопротивление микрофона будет изменяться по закону R _M = R _M0 + Δ R sinω t, где R _M — среднее значение динамического сопротивления микрофона, Δ R — амплитуда изменения переменной части этого сопротивления.

Эквивалентная схема включения микрофона на активную нагрузку представлена на рис.1.1.13. Для указанной схемы при сделанных выше допущениях ток в цепи микрофона i = E / (R _H + R _M) = E / (R _H + R _M0 + Δ R sinω t).

Амплитуда тока первой гармоники выражается формулой I ₁ = I ₀Δ R / R. С другой стороны, она должна быть равна амплитуде э.д.с. микрофона Е_м, поделенной на общее сопротивление цепи R: I ₁ = E _M/ R. Приравнивая друг другу правые части двух последних равенств, получаем Е _{м эфф} = I ₀Δ R /√2̄.

Преобразователи электромагнитной системы. Принцип действия преобразователя электромагнитной системы основан на взаимодействии магнитного потока постоянного магнита и переменного магнитного потока, создаваемого током в обмотке преобразователя. По построению магнитной цепи такие преобразователи могут быть с простой магнитной системой и с дифференциальной магнитной системой. На рис. 1.1.13 приведена схема, поясняющая принцип действия преобразователя первого типа. Магнитная цепь преобразователя содержит постоянный магнит NS с полюсными надставками ПН и упругую ферромагнитную мембрану М. Между полюсными надставками и мембраной существует воздушный зазор δ₀, определяемый начальным прогибом мембраны. На полюсные надставки надеты катушки с обмоткой, имеющей общее число витков W.

Рис. 1.1.13

При работе в качестве телефона или громкоговорителя по обмотке преобразователя проходит переменный ток i, создающий дополнительный переменный магнитный поток. В зависимости от направления тока переменный магнитный поток будет либо увеличивать начальную силу притяжения мембраны F _м, либо уменьшать ее. В результате мембрана будет совершать колебательное движение с перемещением х в обе стороны от начального положения, сопровождающееся излучением звуковых волн.

При работе в качестве микрофона звуковые волны воздействуют на мембрану и приводят ее в колебательное движение. Изменяющаяся при этом величина воздушного зазора, которая становится теперь равной δ₀± х, меняет величину магнитного потока. Переменный магнитный поток наводит в витках обмотки э. д. с. e.

При работе в качестве телефона к обмотке подводится напряжение и.

Определим качество преобразования, для чего выясним условия, в которых электромагнитный преобразователь является линейным. Для упрощения анализа примем, что величина магнитного сопротивления r _м полностью определяется воздушным зазором δ₀=δ₀± х. Кроме того, будем считать, что | x |<< δ₀. Это позволяет в первом приближении принять, что при работе в качестве телефона величина постоянного магнитного потока Ф₀ остается приблизительно постоянной. С учетом принятых допущений определим силу, действующую на мембрану преобразователя F _M, если по его обмотке протекает ток i, изменяющийся по синусоидальному закону.

Известно, что сила притяжения электромагнита F выражается формулой

F = Ф²/2μ₀ S,

где Ф —магнитный поток, S — площадь полюсной надставки, μ₀ — магнитная проницаемость воздуха: μ₀ = 4π∙10⁻⁷ Г/м.

Учитывая две полюсные надставки и имея в виду, что Ф = Ф₀ + Ф_~, получим выражение для силы притяжения мембраны:

Здесь первые два слагаемых являются постоянной составляющей тягового усилия F ₀, третье слагаемое F = 2Ф₀Ф _т / μ₀ S sinω t — полезная составляющая, изменяющаяся с частотой принимаемого сигнала. Последний член, как вторая гармоника частоты полезного сигнала (2ω), представляет собой нелинейные искажения, возникающие при работе преобразователя.

Из рассмотренного выражения видно, что для повышения величины полезного усилия F можно увеличивать как магнитный поток постоянного магнита Ф₀, так и амплитуду переменного магнитного потока Ф _т. Последнее, однако, невыгодно, поскольку при этом амплитуда второй гармоники возрастает в квадрате, вызывая резкое увеличение нелинейных искажений. Поэтому наибольшая эффективность работы электромагнитного преобразователя с простой магнитной системой достигается при Ф₀>>Ф _т. Практически принимают величину Ф₀/Ф _т = 500±1000. При указанном соотношении между Ф₀ и Ф _т можно считать электромагнитный преобразователь линейным.

Таким образом, эффективность работы электромагнитного преобразователя определяется в основном магнитным потоком Ф₀. Однако в преобразователях с простой магнитной системой повышение Ф₀ ограничивается возможностью магнитного насыщения мембраны и ее «залипания».

Этого недостатка лишен электромагнитный преобразователь с дифференциальной магнитной системой, принцип действия которого показан на рис.1.1.14. Здесь якорь Я симметрично закреплен одним своим концом между двумя постоянными магнитами NS, а другой его конец, являющийся подвижным, связан через шток Ш с мембраной М. Полюсные надставки ПН образуют магнитопровод с двумя воздушными зазорами возле подвижного конца якоря. Якорь проходит через отверстие в катушке, на которую намотана обмотка с числом витков W. В спокойном состоянии преобразователя якорь находится в диагонали магнитного моста; в другую его диагональ включена магнитодвижущая сила постоянного магнита.

Рис. 1.1.14

Поэтому постоянный магнитный поток Ф₀ в этом случае через якорь не проходит и последний находится в равновесии под действием двух равных и противоположно направленных сил F₁ и F₂.

При работе в качестве телефона или громкоговорителя переменный ток i в обмотке создает в якоре Я переменный магнитный поток Ф_~, который в одном воздушном зазоре складывается с постоянным потоком Ф₀, а в другом вычитается из него. При изменении направления тока в обмотке взаимодействие потоков в зазорах будет обратным. Поэтому якорь придет в колебательное движение, притягиваясь попеременно к той полюсной надставке, в зазоре которой происходит сложение потоков Ф₀ и Ф_~. Колебания якоря через шток передаются мембране.

Сила, действующая на якорь преобразователя с дифференциальной магнитной системой, работающего в качестве телефона (громкоговорителя), равна разности сил притяжения к нижней и верх-лей полюсным надставкам F₁ и F₂. Поэтому:

или

.

В этом выражении отсутствуют постоянная составляющая F0, определяющая постоянный прогиб мембраны, и вторая гармоника с частотой 2ω, характеризующая нелинейные искажения. Поэтому в преобразователях с дифференциальной магнитной системой допустимо теоретически неограниченное повышение силы постоянного магнита без опасности перенасыщения якоря, а также большое увеличение амплитуды полезного сигнала без появления нелинейных искажений.

Электромагнитные преобразователи с дифференциальной магнитной системой используются в качестве микрофонов, телефонов и громкоговорителей.

Достоинствами электромагнитных преобразователей с дифференциальной магнитной системой являются их высокая чувствительность и отсутствие нелинейных искажений.

На рис. 1.1.15 показан принцип действия электромагнитного ларингофона. В корпусе с крышкой К помещена в подвешенном состоянии вся магнитная система, состоящая из мембраны М, постоянного магнита ПМ и полюсных надставок ПН с обмотками, имеющими общее число витков W. При колебательном движении корпуса эта система в силу инерции своей массы и упругости мембраны будет то приближать полюсные надставки к мембране, TO удалять их, изменяя величину магнитного потока в полюсных Надставках. При этом в обмотке возникает э. д.с. е.

Рис. 1.1.15