Файл: Римский-Корсаков А.В. Электро-акустика.pdf

200 кОм, затруднительна, так как у ж е при нескольких

метрах д л и ­

ны

такого к а б е л я

его емкость оказывает

шунтирующее

действие

д л я

составляющих

высоких

частот и сигнал сильно и с к а ж а е т с я .

П р а к т и к а телефонии и

радиовещания

показывает,

что

удобнее

разомкнутых з а ж и м

а х вторичной обмотки трансформатора,

встро­

енного в микрофон.

Сопротивление нагрузки, на которое

рассчи­

ных микрофона .

Конструкция т р а н с ф о р м а т о р а микрофона имеет ряд

особенно­

стей. Трансформатор д о л ж е н быть весьма малым, чтобы

не увели­

чивать заметно габариты микрофона; д о л ж е н обладать

минималь ­

полосе частот и, наконец, д о л ж е н быть

хорошо

з а щ и щ е н от влияния

внешних магнитных полей, так как полезный

сигнал, с о з д а в а е м ы й

микрофоном, мал и д а ж е слабые переменные

составляющие

маг­

нитного поля

промышленной

частоты

могут

создать

п а р а з и т н ы е

эдс индукции,

сравнимые

с полезным

сигналом. Обычно

такой

т р а н с ф о р м а т о р

выполняют

на

тороидальном

сердечнике и

поме­

щ а ю т в экран

из слоев пермаллоя и красной меди.

4.8. К О Н Д Е Н С А Т О Р Н Ы Е

М И К Р О Ф О Н Ы

М и к р о ф о н - п р и е м н и к д а в л е н и я

Конденсаторные микрофоны широко применяются

ка к в ра­

вие их основано на принципе электростатического

преобразовате ­

ля, рассмотренном в п а р а г р а ф е 3.2. Схематически

конструкция та­

кого микрофона и з о б р а ж е н а на рис. 4.25а.

Тонкая

д и а ф р а г м а

помещена

на д неподвижным

плоским

элек ­

тродом,

та к что зазор

м е ж д у ними весьма

мал . Д и а ф р а г м а

элек ­

трически

соединена

с

корпусом

микрофона

и

сильно натянута .

Приспособление дл я

н а т я ж е н и я

схематически и з о б р а ж е н о на рис.

4.256. Неподвижный электрод изолирован от корпуса

высококаче ­

ственным

изолятором

(янтарь, кварц) и через нагрузочное сопро­

тивление

(іРи) соединен с источником поляризующего

н а п р я ж е н и я

(+\U0).

Все соединения

показаны

на рис. 4.25в. Корпус

м и к р о ф о н а

я в л я е т ся р а з д е л я ю щ е й для сетки лампы .

Сопротивление Ri— со­

противление утечки сетки; RK—-нагрузочное

сопротивление катод ­

ного

повторителя; R%— сопротивление смещения; С 2 — выходная

разделительная емкость. При колебаниях

д и а ф р а г м ы

под дейст­

вием

внешнего акустического поля изменяется емкость

микрофона

(С 0 )

м е ж д у

д и а ф р а г м о й

и неподвижным электродом и

по

сопро­

тивлению RH течет переменный

ток,

стремящийся

выровнять по­

тенциалы неподвижного электрода и батареи .

Д в и ж е н и е

д и а ф р а г м ы

и з а р я д о в

в электрической цепи

микро­

фона

описываются

ур-ниями

(3.20). И з

этих

уравнений

вытекает

в ы р а ж е н и е

(3.64)

д л я чувствительности

преобразователя,

на

осно­

вании которого получим:

FtlFj.

-> U/Fi

= Мг[Ьо

(1 + z0 /zH ) +МІ

/гя]~1

,

(4.69)

^где Мг ='[/о/(іо)'/о);

2 о = ( і ш С о ) _ 1 ;

/ о — расстояние м е ж д у

обкладка ­

ми; zH—

сопротивление

нагрузки в электрической цепи;

Со —

емкость

микрофона;

g0

— механическое

сопротивление

диа ­

ф р а г м ы микрофона,

в отсутствие тока на

электрической

сто­

роне;

Fi — сила, действующая

на

подвижную

систему;

I) —

н а п р я ж е н и е на нагрузке

zB.

Сопротивление

нагрузки zH по переменному току

составится из

п а р а л л е л ь н о

включенных

RB

и

цепочки

R\C\.

Та к к а к в

рабочем

д и а п а з о н е

частот

сопротивление

емкости выбирают

в о з м о ж н о ма­

лым

по сравнению

с R\, то м о ж н о считать: z H ~ R n R i ( R s + R \ ) ~ l

=R-

Если диаметр

микрофона м а л по сравнению с длиной

волны,

то F=piS;

р\ — давление

п а д а ю щ е й на микрофон волны;

5 — пло­

щ а д ь

д и а ф р а г м ы . Внесенное

в механическую

систему сопротивле-

ный расчет, весьма

м а л о

и им м о ж н о

пренебречь,

тогда

£ п

=

I U/Pi. | =

SU0 (ш /о | jo

I Г 1

[1 +

(© Я С 0 Г 2

Г ' / 2

•

(4.70>

Д л я

получения

частотнонезависимой

величины чувствительно­

сти выгоднее

всего

потребовать

выполнения

таких

двух

условий::

со |

j 0 j =

const;

со 2 7

2

I і ) .

(4.71)

Первое

из

соотношений (4.71) показывает, что сопротивление

? С2>

подвижной

д и а ф р а г м ы надо

сделать

гибким:

go = (const)/i со = 1/(і ю сд ).

(4.72)

Д л я

того

чтобы

соотношение

(4.72)

выполнялось,

собственную

частоту

д и а ф р а г м ы

следует

выбрать

очень

высокой — выше верх­

ней частоты рабочего диапазона . Если

эту

собственную

частоту

обозначить

соо, то сл=а1т,

где т — эквивалентная

масса

д и а ф р а г ­

мы. Тогда

(4.70) с учетом

(4.71)

и (4.72)

даст:

En^SUQ(wlrnl0)-1

.

(4.73}

практике

д и а ф р а г м у делают весьма

тонкой и сильно

натянутой.

Второе

из соотношений

(4.71) требует, чтобы

на самой низкой

частоте рабочего

д и а п а з о н а

микрофона (со„) еще

соблюдалось ус­

ловие (anC0)-1<R.

Так ка к емкость конденсаторного

микрофона

по необходимости

весьма

мала, то

сопротивление R

приходится

ки первого к а с к а д а усиления,

создает н а п р я ж е н и е тепловых

шу­

мов, пропорциональное У R. Поэтому с увеличением R, с одной

стороны, растет диапазон передаваемых микрофоном низких

час­

тот, с другой — увеличивается

собственное н а п р я ж е н и е шумовых

фона ограничивает его использование д л я приема слабых

звуковых

давлений .

Величина

н а п р я ж е н и я

собственных

шумов

микрофона

н а р а в н е с величиной его чувствительности и внутренним

сопротив­

лением является в а ж н о й характеристикой его качества.

Один из способов

улучшить соотношение м е ж д у ш у м а м и и сиг­

налом и облегчить выполнение условия (•anCo)~l<.R

состоит в том,

что во входном к а с к а д е усилителя

вводят

отрицательную

обратную

связь, к а к показано

на рис. 4.25е. Здесь

сопротивление Rx

включе­

но м е ж д у

сеткой л а м п ы

и катодным выходом,

та к

что

оно нахо­

дится под разностью н а п р я ж е н и й

микрофона и выхода к а с к а д а —

катодного

повторителя.

Та к

ка к

н а п р я ж е н и е

выхода

катодного

4 ) Можно было бы потребовать

<B4?2 CQ <1С 1, однако

тогда

чувствительность

микрофона получилась бы меньшей.

повторителя

близко к н а п р я ж е н и ю

входа,

то ток микрофона

ока­

зывается

весьма м а л ы м , таким,

как

если

бы

сопротивление

входа-

возросло

в ( 1 + а / ? к ) раз,

где s —

крутизна

лампы , RK—

сопротивле­

ние катодной

нагрузки

каскада .

Величина

(l+sRK)

может

быть

личина

Rj может

быть уменьшена

в ( l + s ^ K )

раз

при

сохранении

тех

ж е

частотных

характеристик

усиления,

что

и

без обратной'

связи,

и тем самым

н а п р я ж е н и е

шумов

цепи

сетки

уменьшается

в

(I+SRK)1'2

раз .

06 отрицательной упругости электрического поля

поляризации в микрофоне

Рассмотрим

механическое

сопротивление электростатическо­

го

преобразователя

применительно

к конденсаторному

микрофону .

Воспользуемся

д л я

этого общей

ф-лой

(3.55). Р о л ь

Zi(„) в данном

случае

играет

механическое сопротивление д и а ф р а г м ы ,

которое

в

противления:

Zi(,])-»-jo= (ісо С д ) - 1 .

В области

самых

низких

частот

Электрическое СОПрОТИВЛеНИе

еМКОСТИ М И К р о ф о Н а Z 2 ( D ) - H 2 O = (iw С о ) - 1

становится весьма большим по сравнению с сопротивлением

наг­

рузки zn=\R

и можн о

пренебречь

величиной

R,

тогда

3 = З о + і с о C u U l (со / 0

Г 2 =

(і со) - 1 (1/Сд —

СосУо /г72 )

•

< 4 - 7 4 >

В ы р а ж е н и е

(4.74)

показывает,

что

электрическое поле,

созда­

ваемое напряжением

поляризации

[/п,

к а к

бы

уменьшает

упругое

сопротивление

д и а ф р а г м ы , создает «отрицательную

упругость»:

1/с'

=

- С

0 ^

i

-

\

(4.75)

Если

C0CV5 / -

2 > 1 / с д ,

т о 5 о < 0 — упругость

механической

системы

микрофона

становится

отрицательной,

положение

д и а ф р а г м ы

—

неустойчивым

и д и а ф р а г м а

притягивается

к неподвижному

элек­

троду. Таким образом, поляризующее н а п р я ж е н и е нельзя

выби­

рать произвольно

большим.

Предельная чувствительность микрофона

Если

уменьшать

расстояние

м е ж д у электродами микрофона, .

то тонкий слой

воздуха

м е ж д у ними м о ж е т

оказат ь

упругое

сопро­

тивление,

сравнимое

с

упругим

сопротивлением д и а ф р а г м ы

и

да­

ж е

значительно

превосходящее

его. Акустическая

гибкость

объе­

ма

воздуха

V,

к а к

известно,

определяется величиной:

Са—У/(уР0),

где Р0 — атмосферное

давление;

у — отношение

теплоємкостей

воз­

духа, 7=1,4 .

Упругое

сопротивление этого

объема, приведенное к

д и а ф р а г ­

ме

с поверхностью

Sj

составит:

1/і ю са

=

у P0 S2 (i coV)'

(4.76).

149

П о д с т а в л я я

(4.76)

вместо (4.72) в (4.70) и учитывая,

что

V—IQS,

.получим

Еп0 = ио(уРоГ1

•

(4.77)

В ы р а ж е н и е (4.77)

дает

предельное

значение

чувствительности

микрофона,

которое

можно

получить

при данном

поляризующем

напряжении,

когда

б л а г о д а р я малости расстояния

м е ж д у

диа­

чески величина

(Уо может

составить

100—150 В, а

атмосферное

давление Я = 1 0

5 Н / м 2 , та к что £ п о ~ 1

м В / ( Н / м 2 ) .

К а к видно,

предельная

чувствительность весьма

невелика. Д л я

преодоления влияния упругости воздуха применяют

неподвижный

висимо от расстояния / 0 межд у электродами .

Потери

площад и

электрода,

влияющие

на

емкость

микрофона,

оказываются

при

этом

незначительными. При

колебаниях д и а ф р а г м ы

в

таком

мик­

рофоне воздух из под нее будет выдавливаться

в отверстия

и

соз­

д а в а т ь сопротивление

вязкого трения в системе. Это

б л а г о п р и я т :

но действует на частотную характеристику

чувствительности

микро­

фона,

с о з д а в а я затухание

и с н и ж а я пик этой характеристики

в об­

л а с т и

резонанса

д и а ф р а г м ы .

Влияние емкости входа предварительного

каскада

Перепишем

(4.69), пренебрегая,

как

и

раньше,

величиной

- M 2 / Z H ,

В таком виде:

U/F = MzbolzH

(z„ + z o r l .

П о д с т а в л я я

Мх=и0Цш

IQ) ;

j o = (ісо с д ) - 1 ;

z0=

(ico C 0 ) - 1

,

получим

UIF =

( £ n 0 ) Z r = m 2 h

[ Z h +

( i M

C o ) - '

.

(4.78)

В ы р а ж е н и е

(4:78)

соответствует

элементарной

электрической

эквивалентной схеме,

.показанной

на

рис. 3.3. г н

п р е д с т а в л я е т со­

бой сопротивление входной

цепи

к а с к а д а

усиления,

и

в

него

вхо­

сетки

к а с к а д а С в х . Д а ж е

в случае

R^> (со С 0 ) - 1 микрофон

оказы ­

вается

нагруженны м емкостью Свх,

и тогда

f / = ( £ n o ) Z H = 0 0 - C o ( C 0

+ C B x r 1 .

(4-79)

Если Свх сравнимо с

С0 , то полезное н а п р я ж е н и е

микрофона

резко уменьшается . Чтоб ы по возможности уменьшить

С в х ,

вход­

ной к а с к а д располагают

непосредственно у самого микрофона .