Elektroakustické měniče

1. Elektroakustické měniče Štěpánka Kubínová

2. Elektroakustické měniče • zachytávají zvukové vlny, které mění na vlny elektrické (časově proměnný elektrický proud) a naopak • V případě převodu zvukového vlnění na elektrické střídavé proudy nazýváme takový měnič mikrofonem, v případě převodu střídavých proudů na akustické vlny hovoříme o reproduktoru

3. Elektroakustické měniče • elektroakustické měniče provádějí žádanou změnu • přímo – mění např. akustickou energii na elektrickou • nepřímo – např. akustický tlak ovlivňuje velikost elektrického proudu • Přímé akustické měniče mohou sice pracovat v obou smyslech, avšak konstrukčně jsou uzpůsobeny tak, aby nejlépe vyhovovaly pouze jednomu účelu

4. Elektroakustické měniče • přeměna probíhá ve dvou fázích – akustická vlna se přemění na mechanické kmity, které se přemění na elektrický proud, nebo elektrický proud vyvolá mechanické kmity, které se přemění v akustický signál

5. Druhy měničů • Obecně se jako měniče používají následující: • elektrodynamický měnič • elektromagnetický měnič • magnetostrikční měnič • elektrostatický měnič • piezoelektrický měnič • odporový měnič

6. Elektrodynamický měnič • Princip vzájemného působení dvou magnetických polí • Jedno je tvořeno permanentním magnetem, druhé je vytvářeno vodičem • jako vysílač → vodičem prochází signální proud, vyvolá v něm magnetické pole a vodič se dá do pohybu • Jako přijímač → převede se akustický signál na pohyb vodiče, následkem kterého se ve vodiči indukuje napětí

7. Elektromagnetický měnič • využívá se v rozmezí 300 až 3 400 Hz v telefonním sluchátku • Princip elektromagnetu • jako přijímač→ využívázměn magnetického toku, způsobených pohybem feromagnetické kotvy vlivem zvukových vln (indukuje se v cívce napětí) • jako vysílač → využívá síly, která vznikne v kotvě při průchodu proudu závity cívky

8. Magnetostrikční měnič • využívá vlastností feromagnetických látek deformovat se v magnetickém poli • síla deformující materiál je přímo úměrná proudu, kterým se budí magnetické pole • obrácený jev sice existuje, avšak nevyužívá se • tyto měniče se používají v oblasti ultrazvuku

9. Elektrostatický měnič • princip deskového kondenzátoru, jehož jedna deska je pohyblivá • jako přijímač → dopadající zvuková vlna mění vzdálenost mezi elektrodami a tím i kapacitu kondenzátoru (využívá změn napětí na kondenzátoru při změnách jeho kapacity a konstantním náboji →posune -li se pohyblivá deska deskového kondenzátoru působením síly F při dopadu zvukové vlny o výchylku y, změní se kapacita kondenzátoru o malou hodnotu ∆C) • jako vysílač → pak přiložené signálové napětí vyvolá změnu směru a velikosti síly, jíž je vychylována pohyblivá deska kondenzátoru

10. Piezoelektrický měnič • využívá tzv. piezoelektrický jev, při kterém krystaly některých látek vykazují na svých stěnách elektrický náboj při jejich mechanické deformaci a opačně, po přiložení náboje se deformují • nejčastěji je používána Seignettova sůl nebo silným elektrickým polem polarizovaná piezokeramika (titanát barya - BaTi03)

11. Odporový měnič • používá se pouze u mikrofonu • princip - pohyb membrány stlačuje zrnka odporového materiálu a tím jeho odpor mění • mění akustickou energii na elektrickou nepřímo

12. Mikrofony • Téměř všechny mikrofony obsahují membránu, což je tenká vrstva, která se pohybuje v souladu s proměnlivým tlakem, který vyvolává dopadající zvuková vlna • Pohybem membrány se pak mění dopadající zvukové vlnění na elektrický proud

13. Dělení mikrofonů • Podle způsobu přeměny dopadající mechanické(akustické) energie na elektrickou energii se mikrofony dělí na: • odporové mikrofony (nazývané též uhlíkové mikrofony) • elektrodynamické mikrofony • elektromagnetické mikrofony • krystalové mikrofony • elektrostatické mikrofony (nazývané též kondenzátorové mikrofony) • tepelné mikrofony

14. Mikrofony • 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

15. Vlastnosti mikrofonů citlivost– udává poměr výstupního napětí k tlaku na membránu, citlivost většinou udáváme v milivoltech na bar nebo v mV/Pa (udává se většinou při kmitočtu 1 kHz) • amplitudová kmitočtová charakteristika – udává závislost citlivosti na kmitočtu (závislost výstupního napětí mikrofonu při konstantním akustickém tlaku na kmitočtu • směrová charakteristika – udává závislost citlivosti na směru dopadu zvukové vlny

16. Amplitudová kmitočtovácharakteristika mikrofonu

17. Směrové charakteristiky mikrofonu při kmitočtu 1000 Hz kulová, osmičková, kardiodní (ledvinová)

18. Směrová charakteristika mikrofonu - ledvinová

19. Směrová charakteristika mikrofonu - superledvinová

20. Směrová charakteristika mikrofonu - osmičková

21. Odporový (uhlíkový) mikrofon • založený na změnách odporu uhlíkových zrnek stlačovaných membránou • vrstva uhlíkových zrnek je z jedné strany uzavřena pružnou kovovou membránou a z druhé zvlněnou uhlíkovou destičkou • membrána se dopadem zvukového vlnění rozkmitá, zrnka uhlíku se stlačují a s měnícím se tlakem se mění i elektrický odpor uhlíkové vrstvy

22. Odporový (uhlíkový) mikrofon • Tyto mikrofony jsou velmi citlivé, ale poměrně značně zkreslují zvuk a mají velký šum • používají se hlavně v telefonních přístrojích nebo v zařízeních, kde příliš nezáleží na věrnosti zvuku

23. Odporový (uhlíkový) mikrofon

24. Elektrodynamický cívkový mikrofon • skládá se z magnetického obvodu trvalého magnetu, v jehož kruhové vzduchové mezeře mezi pólovými nástavci a trnem je umístěna kmitající cívka,spojená s lehkou a na o krajích zvlněnou membránou • membrána kmitá při dopadu zvukových vln pístovým pohybem

25. Elektrodynamický cívkový mikrofon • 1 pólové nástavce • 2 membrána • 3 cívka, 4 trn • 5 magnet • 6 pomocné akustické obvody • 7 otvor

26. Elektrodynamický mikrofon

27. Elektrostatický mikrofon • Membrána z plastické látky několik mikrometrů tlustá, z vnější strany pozlacená, je napjata v kovovém rámečku • Izolační podložkou je membrána udržována ve vzdálenosti několika desítek mikrometrů od povrchu pevné elektrody, která je opatřena několika velmi jemnými otvory, sloužícími k pozvolnému vyrovnávání tlaku vzduchu v prostoru mezi elektrodami při změně atmosférického tlaku • Elektrostatický mikrofon je nejkvalitnější studiový mikrofon

28. Elektrostatický mikrofon

29. Reproduktory • Reproduktory je možné rozdělit podle způsobu vyzařování na dva základní druhy: • přímo vyzařující - akustická energie je vyzařována kmitající membránou, navazující bezprostředně na prostředí, do něhož je energie přenášena • nepřímo vyzařující - mezi kmitající membránu elektroakustického převodníku je vložen zvukovod (nebo zvukovod doplněný pomocnými akustickými obvody)

30. Reproduktory • další dělení reproduktorů: • 1. elektrodynamické reproduktory • 2. elektromagnetické reproduktory • 3. piezoelektrické reproduktory • 4. elektrostatické reproduktory • 5. speciální reproduktory (tepelné, pneumatické, …)

31. Základní parametry reproduktorů • Účinnost reproduktoru je poměr vyzářeného akustického výkonu k elektrickému příkonu (u přímo vyzařujících reproduktorů bývá 3 až 5%,u nepřímo vyzařujících je až deseti násobná) • Citlivost reproduktoruje dána průměrným akustickým tlakem v ose reproduktoru ve vzdálenosti 1 m při příkonu 1 VA (udává se v decibelech ve vztahu k úrovni 2.10 -5 Pa)

32. Vlastnosti reproduktorů • Směrová charakteristika reproduktoru je závislost akustického tlaku před reproduktorem na úhlu, který svírá osa reproduktoru a spojnice reproduktoru a měřícího mikrofonu (eventuelně posluchače)

33. Rozdělení reproduktorů • Žádný z reproduktorů sám kvalitně neobsáhne celé slyšitelné pásmo • pro účinné vyzáření hlubokých tónů totiž musí mít membrána velké rozměry, velkou hmotnost a velkou poddajnost • Pro účinné vyzáření vysokých frekvencí musí mít naopak malé rozměry, malou hmotnost a velkou tuhost

34. Rozdělení reproduktorů • Hlubokotónové – pásmo asi 20 až 4000Hz • Středotónové – 100 až 6000Hz • Vysokotónové – 1 až 16 až 20kHz

35. Elektrodynamický reproduktor • Jedná se v současné době o nejrozšířenější typ reproduktoru • Základním principem je silové působení na vodič, kterým protéká elektrický proud, umístěný v magnetickém poli

36. Elektrodynamický reproduktor

37. Piezoelektrický reproduktor • Využívá se skutečnosti, že u některých materiálů vzniká působením elektrického pole mechanické napětí • Toto napětí vyvolává síly, které mechanicky deformují materiál • Vhodným uspořádáním se tato deformace převádí na výchylku kmitacího systému • Nejrozšířenější piezoelektrické reproduktory využívají keramické měniče • Většinou jsou vyráběny se zvukovody • Používají se pro reprodukci středních a zvláště pak vysokých frekvencí

38. Piezoreproduktor

39. Elektrostatický reproduktor • pracuje na principu vzájemného přitahování a odpuzování elektricky nabitých desek • funkce je inverzní k funkci elektrostatického mikrofonu (pevná a pohyblivá elektroda) • tenká membrána je umístěna proti pevné elektrodě izolovaně v malé vzdálenosti • mezi membránou a pevnou elektrodou je připojeno stejnosměrné polarizační napětí • pohyb membrány odpovídá změně náboje způsobené přivedeným nízkofrekvenčním signálem • používají se pro reprodukci vysokých tónů

40. Elektrostatický reproduktor