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

в

зависимости

от

величины

н а г р у ж а ю щ е й

массы,

от

4 g

(при

т = 5 г )

до

20 g" (при т = 1 г ) .

Р е з о н а н с н а я

частота

соответственно

составляет

п р и м е р н о

2 к Г ц (при /п==5г)

и

4 к Г ц

( т = 1 г ) .

Соб­

ственные ш у м ы

прибора в

полосе

1 Гц на

частоте

100 Г ц

эквива ­

лентны

ускорению

(2ч-5) • Ю -

6 g. П р и р а в н о м е р н о м

спектре

напря ­

ж е н и я

шумов в полосе 2 к Г ц н а п р я ж е н и е ш у м а 'будет

эквивалентно

(2-7-5) - 10 -6(2000)^2 = (0,94-2)

- Ю " 4 g .

Т а к и м образом,

прибор

пригоден д л я

измерения

м а л ы х

уско­

рений

в и б р а ц и й

в сравнительно широком д и а п а з о н е частот и, что

очень

в а ж н о , о б л а д а е т

небольшим

частотнонезависимым

собствен­

ным сопротивлением

в

о б л а с т и и н ф р а з в у к а

вплоть

д о

«нулевых»

частот. В этих отношениях он превосходит пьезоэлектрические

аксе­

лерометры .

Следует,

однако,

от­

метить, что н а ж и м с п о м о щ ь ю

иг­

л ы создает очень большие мест­

ные н а п р я ж е н и я

в

чувствитель­

ном элементе, из-за

чего

прибор

в ы д е р ж и в а е т

гораздо

меньшие пе­

регрузки, чем

пьезоэлектрические

акселерометры

на

основе

пьезо-

керамических

материалов,

а

так­

ж е

создает трудности

сохранения

неизменным

начального

п о д ж а ­

тая.

Получить

в м и к р о ф о н а х

уси­

лие

столь

ж е

большое,

ка к и в

акселерометрах,

затруднительно,

и

условия

работы

контакта

ста­

новятся

менее

благоприятными .

4F

Остановимся

на недавно пред ­

Рис. 5ЛЗ. Пьезорезисдавяый полупро­

ложенно й

конструкции

микрофо ­

водниковый микрофон:

на

с

плоским

полупроводнико ­

.' — диафрагма; 2 — чувствительный эле­

вым диодом

в

качестве

чувстви­

мент — германиевая кристаллическая пла­

стинка; 3 —консольная

балочка

тельного

элемента,

укрепленным

на

изгибающейся консольной

балочке и р а б о т а ю щ и м

на

с ж а т и е

(растяжение)

(рис. 5.13). Чувствительный

элемент

наклеивается

около

основания

балочки,

где кривизна при ее изгибе м а к с и м а л ь ­

н а я

и

р а с т я ж е н и е

(сжатие)

поверхности

балочки

т а к ж е

макси ­

мально .

Поскольку

полезный

сигнал с чувствительного

элемента

пропорционален

его д е ф о р м а ц и и , механическая система

микрофо ­

на

—

приемника

д а в л е н и я

д о л ж н а

иметь чисто упругое сопротив ­

ление

в

рабочем

д и а п а з о н е частот.

Это н а к л а д ы в а е т

ограничение

па

д о с т и ж и м у ю

величину

гибкости

д и а ф р а г м ы ,

которая

д о л ж н а

чить м а к с и м а л ь н у ю чувствительность микрофона .

Чувствительность

микрофона с помощью ф-лы (5.36) м о ж е т быть

представлена в

виде:

\UJP\

=KiaVRo%lllp\,

(5-39)

где К—люэффициент

пропорциональности,

зависящий от величины

сопротивления

нагрузки и в и д а схемы включения .

Д е ф о р м а ц и я

£ чувствительного элемента

пропорциональна

рас­

стоянию b его средней плоскости от нейтральной

плоскости

кон­

сольной

балочки и кривизны

ее при изгибе. Кривизну, как

обычно

принимается в теории несильного изгиба,

примем

равной

второй

производной от линии

упругого

изгиба у(х)

(рис. 5.13):

Г1

=

д*у/дх*; I

= ЬГХ

(х

--= 0).

(5.40)

у {х) = У

і ( З Д О -

х*12Р),

(5.41)

Уі — прогиб

конца

балочки,

который

с в я з а н

с н а г р у ж а ю щ е й .силой

F .соотношением:

yi = V ( t f + c

?

) ,

(5.42)

Сб = £ 3 ( 3 £ 7 ) — э к в и в а л е н т н а я

сосредоточенная гибкость

балк и

(см.

п а р а г р а ф

2.8);

а с д

— то же , д л я д и а ф р а г м ы ;

F=pSR,

ом. рис. 5.13.

Н а основании

(5.40),

(5.41)

и (5.42)

получим:

| Цр | = SA HF = 3Sf l 6(3£ J/P+

с-» )-> r s .

(5.43)

В ы р а ж е н и е

(5.43)

имеет м а к с и м у м при /=<(3£Усд/2)) / 3 :

| Цр

| т а х

= SA be]* ( 3 £ / / 2 ) - 2 / з .

(5.44)

Д л я

чувствительности

микрофона, включенного

на

согласован­

ное нагрузочное

сопротивление,

получим

окончательно:

|

U/p \ т а х =

0,5Х

(RRRa)1/z

i ^ c " 3

b ( 3 £ / / 2 Г 2 / 3 .

(5.45)

Это в ы р а ж е н и е

получено

без учета

влияни я

упругости

полупровод ­

никового

чувствительного

элемента,

к о т о р а я

немного

увеличивает

упругость

балочки

і/св, а

т а к ж е

без учета того,

что кривизна

ба­

лочки

меняется

с

удаление м

от

места

заделки,

вследствие

чего

принятая нами

в расчет. Учет этих поправок не меняет

существа

расчета и м о ж е т

быть проведен без особого труда .

В промышленно м

о б р а з ц е

такого

микрофона 'применена -балоч­

к а длиной 5 м м

и толщиной

0,8 мм. Полупроводниковый

элемент

имеет толщину

0,3 мм и д л и н у 0,3 мм . Ц и л и н д р и ч е с к а я

жесткость

балочки EJ — 5-105Н/м2,

п л о щ а д ь д и а ф р а г м ы S a = 1,24OM2 ,

ее гиб­

кость С д = 1 0 - 7 м / Н ,

собственное

сопротивление

микрофона

/?о=1

кОм. М а к с и м а л ь н ы й допустимый ток — 10 м А и х = 170. Пр и

питании током около 6 мА расчет

по ф-ле (5.45) дает чувствитель­

ность

примерно 2 В / Н м ~ 2 при RH=ll

кОм .

6 . 1 .

В В Е Д Е Н И Е

Исторически

первой

была

м е х а н и ч е с к а я

за­

пись

звука

(фонограф

Эдисона,

1876

г.). П р е т е р п е в ш а я

р я д моди­

фикаций

.и изменений

м е х а н и ч е с к а я

запись

звука в н а с т о я щ е е

вре ­

м я —

это

широко

распространенная

г р а м м о ф о н н а я

запись.

Не ­

сколько

позднее была

п р е д л о ж е н а

магнитная запись

звука

на

про­

волоку

(Паульсен,

1899 г . ) .

Г р а м м о ф о н н а я

и

магнитная

записи

звука включают в с е б я не только

регистрацию

звуковых

колеба­

ний,

но

и

возможность

воспроизведения

этих

колебаний

в

виде

звука .

Существует,

.кроме

того,

запись

акустических

колебаний

в

виде

о с ц и л л о г р а м м

( ф о н а в т о г р а ф

Скотта, 1859 г.). О с ц и л л о г р а м м ы пред ­

с т а в л я ю т собой автоматически полученные

г р а ф и к и

(кривые)

за­

висимости

колебательной

величины

от времени . В н а с т о я щ е е в р е м я

д л я

этой

цели

почти

исключительно

используются

электронные

о с ц и л л о г р а ф ы и, в отдельных случаях, шлейфовые

осциллографы .

Некоторое

видоизменение

способа

записи- с

помощью

шлейфового

о с ц и л л о г р а ф а в сочетании

с

применением

фотоэлементов д л я

счи­

вида записи — воспроизведения

звука — оптической

записи.

И т а к ,

основные

виды

звукозаписи — механическая,

оптическая,

маг­

нитная .

О б щ и м

д л я

всех видов

записи

является то, что п р и

записи,

м и м о

з а п и с ы в а ю щ е г о

устройства,

равномерно д в и ж е т с я

лента,

диск

или

проволока,

т а к

н а з ы в а е м ы й

звуконоситель, « а

котором з а п и с ы в а ю ­

щее устройство

о с т а в л я е т

след — фонограмму .

Ф о н о г р а м м а

м о ж е т

быть либо

в виде прочерченной резцом извилистой

или переменной

п о глубине

к а н а в к и

(механическая з а п и с ь ) , либо

в

виде

перемен­

ного по длине

носителя остаточного

намагничения

(магнитная

за­

пись), либо в .виде засвеченной полоски, переменной

по

плотности

почернения

или

по ширине, оставляемой п и ш у щ и м лучом

на

фото­

эмульсии

звуконосителя

(оптическая

з а п и с ь ) .

П р и

последующем

•воспроизведении

ф о н о г р а м м а равномерно д в и ж е т с я

с той ж е

ско­

ростью около звукоснимателя, либо п р и в о д я в

д в и ж е н и е

иглу,

опу­

щ е н н у ю

в

к а н а в к у

(механическое воспроизведение),

либо индуци-

тора, п а д а ю щ и й на

фотоэлемент (оптическое воспроизведение) .

Обычным звуконосителем в механической записи являются тон­

кие л а к о в ы е

( ш е л л а к

или искусственные

смолы)

диски - пластинки,

в магнитной — тонкая

ф е р р о м а г н и т н а я

проволока

или лента из

•пластика

с

эмульсией

из ферромагнитного п о р о ш к а , в оптической

— у з к а я

полоска

(«звуковая д о р о ж к а » )

в д о л ь

к р а я кинопленки,

на которую снимается

фотографическое и з о б р а ж е н и е .

В настоящее в р е м я

введено и стандартизовано

несколько типов

ная

запись

со

скоростью в р а щ е н и я

пластинки

78 об/мин,

с

пони­

женной

скоростью

в р а щ е н и я

45 об/мин

и

д о л г о и г р а ю щ а я

за­

пись

—

33 об/мин и к а к ее

разновидность — с т е р е о ф о н и ч е с к а я

дол ­

г о и г р а ю щ а я

запись. Р е ж е

применяются т а к ж е

скорости

16 об/мин,

12 об/мин и

8 об/мин .

Оптическая

запись звука

получила

исключительное

применение

в технике звукового

кино. Это 'Связано с тем, что оптическая

фоно­

г р а м м а

удобно

р а с п о л а г а е т с я

на той

ж е

самой фотографической

ленте,

на которую производится с ъ е м к а оптического и з о б р а ж е н и я .

Этим

обеспечивается

п о л н а я

синхронность

видимого к а д р а

и

звука

при последующем воспроизведении. С т а н д а р т ы оптической

записи

определяются

с т а н д а р т а м и

кинопроекции.

С

развитием

техники

магнитной записи, техники

м о н т а ж а

звуковых

кинофильмов и тех­

магнитная

запись.

М а г н и т н а я запись

в о ш л а

в практику

не с р а з у . П е р в ы е а п п а р а т ы

записи на проволоку,

металлические диски и ленты о б л а д а л и

очень

плохими

х а р а к т е р и с т и к а м и

— вносили

большие и с к а ж е н и я

в за­

применению

предварительного постоянного с м е щ е н и я

начальной

точки, от которой происходит намагничение м а т е р и а л а

при записи .

Е щ е более

удачным

о к а з а л с я прием, п р и

котором к

з а п и с ы в а е м о ­

му сигналу

д о б а в л я

е т с я высокочастотное

магнитное

поле, т а к на­

ники

усиления

электрических колебаний,

т а к что в современном

ее

виде

м а г н и т н а я

запись появилась л и ш ь

в 30-х годах нашего сто­

летия . С тех пор она получила широкое

распространение

в

с а м ы х

различных

технических областях . Это с в я з а н о

с

тем,

что

в

совре­

менных а п п а р а т а х магнитной записи

у д а е т с я на

весьма небольшой

п л о щ а д и

м а т е р и а л а — н о с и т е л я

записи

разместить

значительное

количество з а п и с ы в а е м ы х сигналов. Так,

например,

распространен ­

ными с т а н д а р т а м и являются записи

на

ленту

со

скоростью 4,7

и

9,5 см/с. П р и ширине ленты 6 м м

на

ней

у к л а д ы в а ю т с я две

д о р о ж ­

ки.

180 м

ленты обычной толщины у м е щ а ю т с я

на

кассете

диамет -