Микрофоны (стр. 1 из 2)

Микрофоны

Микрофоном называют устройство, которое преобразует механические колебания воздушной среды в электрические колебания.

Микрофоны классифицируют по следующим признакам:

- по особенностям приёма звуковых колебаний,

- по принципу преобразования акустических колебаний в электрические,

- по классам качества.

Элементом конструкции микрофона, воспринимающим звуковые колебания, является мембрана. В зависимости от того, как взаимодействует мембрана со звуковым полем, существенно зависят характеристики микрофона. Возможно несколько вариантов взаимодействия.

Если для воздействия звуковых волн доступна только одна сторона поверхности мембраны, то такой микрофон называют приёмником давления.

В том случае, когда длина волны больше геометрических размеров микрофона, волны огибают корпус микрофона и звуковое давление p не зависит от ориентации мембраны в звуковом поле. Следовательно, сила

(S – площадь поверхности мембраны), действующая на мембрану, не зависит от её положения в пространстве. Микрофон будет принимать звуковые сигналы со всех направлений одинаково, т.е. будет ненаправленным. Если размеры корпуса микрофона больше, чем длина волны, то звуковое давление у поверхности мембраны при нормальном падении волн удваивается по сравнению с давлением в свободном поле (звуковое давление падающей и отраженной волн складываются). При падении волн под углом к нормали звуковое давление будет уменьшаться из-за изменения коэффициента отражения и затенения мембраны корпусом, т.е. условия приёма колебаний с разных направлений неодинаковы. Микрофон приобретает направленность.

Введем понятие акустической чувствительности микрофона Е_а, как отношение силы, действующей на мембрану, к величине звукового давления. На длинных волнах акустическая чувствительность

, т.е. постоянная влияния, не зависящая от направления прихода волн. Изобразим график зависимости акустической чувствительности микрофона от угла между нормалью к поверхности мембраны и направлением прихода звуковых волн. В дальнейшем этот график будем называть диаграммой направленности микрофона. Если на графике откладывать не абсолютную чувствительность , а значения , то получим нормированную диаграмму направленности микрофона.

Нормированная диаграмма направленности микрофона – приёмника давления.

На рис. 1. показаны нормированные диаграммы направленности приёмника давления для разных значений отношения

, где d – размер корпуса микрофона.

Если мембрана доступна для звуковых волн с обеих сторон, то её колебания происходят под действием разности давлений фронтальной и тыловой волн. Такие микрофоны называют приёмниками градиента давления.

Акустическая чувствительность приёмника градиента давления:

Разность давлений возникает за счет разности хода звуковых волн до внешней (фронтальной) и внутренней (тыльной) поверхности мембраны. Разность хода волн, в свою очередь, создаёт разность фаз и разность амплитуд. Разность фаз (см. рис. 2):

Рисунок 2

Разность амплитуд звукового давления, отнесенная к амплитуде падающей ( фронтальной) волны:

,

где р₁ – звуковое давление на расстоянии 1 м от источника. Таким образом, разность амплитуд более существенна на малых расстояниях.

Определим разность давлений:

,

где

, .

Акустическая чувствительность:

(1)

Исследуем выражение (1). Зависимость акустической чувствительности Е_а от угла падения θ представлена на рис. 3. Как следует из рисунка, микрофон – приёмник градиента давления обладает направленными свойствами. На низких частотах микрофон обладает максимальной чувствительностью в направлении оси. Форма диаграммы направленности близка к окружности, проходящей через начало координат. В области верхних частот максимум чувствительности смещается в стороны от оси микрофона.

Частотные характеристики осевой акустической чувствительности приёмника градиента давления для разных расстояний от источника звука приведена на рисунке 4. Для малых расстояний частотная характеристика более или менее равномерна в области низких частот и имеет максимум ~ 10 дБ в области верхних частот. На больших расстояниях от источника неравномерность частотной характеристики возрастает (~ 30дБ).

Диаграммы направленности приёмника градиента давления, рассчитанные для размера мембраны а = 0.017 м и расстояния r = 0.1 м. Кривая 1 – для частоты 100 Гц, 2 – для частоты 10000 Гц и 3 – для 20000 Гц.

Конструкция такого приёмника схематически показана на рисунке 4. Мембрана установлена в плоскости одного из торцов цилиндра, длина которого равна d. Колебания мембраны происходят под действием силы, создаваемой разностью давлений фронтальной и тыловой волн.

Рисунок 4.