Указанные недостатки беспроводных наушников в значительной мере могут быть минимизированы в цифровых моделях, о разработке которых уже объявили некоторые ведущие фирмы. Встроенные процессоры и декодеры открывают новые возможности для использования беспроводных наушников в системах домашнего кинотеатра наряду с традиционным их применением для прослушивания стереопрограмм.

Лекция 15. Микрофоны

Вопросы: 1. Классификация, основные параметры.

2. Виды микрофонов.

Литература: 1.А.А.Петров «Звуковая схемотехника для радиолюбителей» Москва. «Радио и связь» 2004г.

2.Г.Кинг «Руководство по звукотехнике Ленинград «Энергия» 1980 г

Элементы электроакустического тракта

Микрофон

Микрофон -- это злектроакустический прибор, преобразующий акустические звуковые колебания воздушной среды в электрические сигналы. О) является первым звеном любого тракта звукозаписи, звукоусиления, речевой связи. Его характеристики и условия эксплуатации во многом определяют качество сигнала во всем тракте. Многие виды искажений звуковых сигналов (нелинейные, переходные, особенности передачи акустической обстановки и перспективы) и различных помех (ветровых, вибрационных, акустических) часто не могут быть ликвидированы последующей обработкой сигналов без существенного ухудшения полезных составляющих.

В микрофоне при превращении звуковых колебаний в электрические сигналы происходят различные взаимосвязанные физические процессы. В соответствии с этим микрофон можно рассматривать как ряд функциональных звеньев.

Первое звено -- акустическое, приемник звуковых волн. Звуковое (колебательное) давление, создаваемое источником звука, воздействует на акустический вход(или входы). В результате взаимодействия приемника и звукового поля формируется механическая сила, зависящая от частоты звукового сигнала, размеров и формы корпуса микрофона и его акустических входов, расстояния между ними, угла падения звуковой волны относительно акустической оси микрофона, характера звукового поля. Тип приемника определяет такой важный параметр, как характеристика направленности (ХН).

Второе звено -- акустико-механическое, оно служит для согласования в заданном диапазоне частот силы, формируемой приемником, с величиной колебательной скорости (для динамических микрофонов) или смещения (для конденсаторных) подвижного элемента электромеханического преобразователя микрофона. Свойства этого звена определяются взаимным расположением, величиной и частотной зависимостью входящих в нее акустико-механических элементов, которые в конструктивном отношении представляют собой различные зазоры, щели, отверстия, объемы, пористые элементы, находящиеся внутри капсюля микрофона. Это звено определяет частотную характеристику чувствительности (ЧХЧ) микрофонам в значительной мере помогает формированию ХН в широком диапазоне частот.

Третье звено -- электромеханическое, представляет собой электромеханический преобразователь, работающий в микрофоне в режиме генератора и преобразующий механическое колебание подвижного элемента (его скорости или смешения) в электродвижущую силу (ЭДС). Эффективность преобразователя характеризуется коэффициентом электромеханической связи. Преобразователь определяет чувствительность микрофона.

Четвертое звено -- электрическое. Оно выполняет функцию согласования преобразователя с последующим усилительным устройством (например, в конденсаторных микрофонах согласует большое емкостное сопротивление капсюля с относительно низкоомным входом последующего усилительного устройства). В некоторых моделях микрофонов электрическое звено также корректирует АЧХ микрофонов.

Типы приемника и преобразователя являются определяющими звеньями микрофонов.

Акустико-механическое и электрическое звенья -- согласующие, основная задача которых -- обеспечение минимальных потерь полезного сигнала и получение требуемой АЧХ выходного сигнала.

Микрофоны обычно классифицируют по трем основным признакам: типу приемника, типу преобразователя и по назначению (условиям эксплуатации).

1.Тип приемника определяет одну из основных характеристик микрофона -- характеристику направленности.

Характеристикой направленности называется зависимость чувствительности микрофона на заданной частоте от угла падения звуковой волны.

По типу приемника микрофоны подразделяются на следующие группы.

Приемники давления (ненаправленные, "нулевого порядка", "круговые"). В них звук воздействует на подвижный элемент (мембрану, диафрагму) только с одной стороны, вследствие этого на низких и средних частотах, где размеры микрофона малы по сравнению с длиной звуковой волны, чувствительность микрофона практически не изменяется при разных углах падения звука.

Приемники градиента или разности давлений (направленные). Они бывают двух видов:

-- с двумя практически симметричными акустическими входами (в этом случае их ХН называют "восьмеркой" или "двунаправленной");

-- с двумя или более несимметричными акустическими входами (в этом случае приемники являются односторонне направленными).

Различия в форме ХН однонаправленных приемников определяются как степенью несимметрии входов, так и величиной акустико-механических параметров внутренней структуры акустико-механического звена.

Характеристики направленности (диаграммы) указанных типов приемников графически представлены на рис. 1.

Рис.1. Виды характеристик направленности микрофонов: (а) - ненаправленного, (б) - двунаправленного, (в) - однонаправленного и (г) - остронаправленного.

Рис.1а. Виды характеристик направленности микрофонов.

В особую группу иногда выделяют комбинированные микрофоны, или микрофоны с переменной ХН. В этих микрофонах можно получить практически любую ХН из семейства комбинацией электрических сигналов от двух приемников -- ненаправленного и двусторонне направленного или от двух развернутых на 160° капсюлей кардиоидных микрофонов (электрически комбинированные), а также изменением величины напряжения поляризации на половинках неподвижного электрода или мембранах в двухмембранных конденсаторных микрофонах.

Особую группу представляют остронаправленные микрофоны, которые

применяются в случаях, когда нет возможности подойти близко к источнику полезного сигнала. Острая ХН в них реализуется несколькими различными способами.

''Биградиентными" или "бикардиоидными" (градиенты второго порядка) называют микрофоны, состоящие из двух идентичных, пространственно разнесенных и соосно расположенных капсюлей с ХН "восьмерка" или "'кардиоида", включенных в противофазе. Диапазон частот таких приемников кремне ограничен.

Наиболее распространенными среди остронаправленных микрофонов являются микрофоны 'бегущей волны" (интерференционные), состоящие из трубки с отверстиями или прорезями, на заднем торце которой расположен ненаправленный или однонаправленный микрофонный капсюль. Отверстия в трубке закрыты тканью или пористым материалом акустическое сопротивление которого возрастает по мере приближении к капсюлю Обострение ХН достигаемся из-за интерференции парциальных звуковых волн, проходящих через отверстия трубки. При движении фронта звука параллельно оси трубки все парциальные волны приходят к подвижному элементу одновременно, в фазе. При распространении звука под углом к оси эти волны доходит до капсюля с различной задержкой, определяемой расстоянием от соответствующего отверстия до капсюля, при этом происходит частичная или полная компенсации давления, действующего на подвижный элемент. Заметное обострение - ХН а таких микрофонах начинается с частоты, где длина трубки больше половины длины звуковой волны; с увеличением частоты ХН еще больше обостряется. Поэтому даже при значительной длине таких микрофонов, которая может достигать, метра и даже болей, ХН на частотах ниже 150 ..200 Гц определяется только капсюлем, и обычно близка к кардиоиде и пи суперкардиоиде.

Третий, реально встречающийся тип остронаправленных микрофонов рефлекторные. В этих микрофонах капсюль с ненаправленной или однонаправленной ХН помещается в фокусе параболического отражателя.

Рис.2.Микрофон «бегущей волны»

Рис.3. Рефлекторный микрофон

При этом, благодаря свойствам параболы, звуковые волны после отражений концентрируются в фокусе параболы, в месте расположения подвижного элемента капсюля, причем достигают его а фазе. Звуковые волны, приходящие под углом к оси параболы, рассеиваются рефлектором, не попадая на микрофон. В рефлекторной системе ХН еще более зависима от частоты, чем интерферененнционной и изменяется от практически ненаправленной на низких частотах (при диаметре рефлектора меньше длины звуковой волны) до узкого лепестка на высоких частотах, ЧХН таких микрофонов имеет подъем в сторону высоких частот с крутизной порядка 6 дБ на октаву, которые обычно компенсируется или электрическим путем, или специальной конструкцией капсюля.

Деление микрофонов по типу преобразователя.

По типу электромеханического преобразователя микрофоны делятся на угольные, электромагнитные, пьезоэлектрические, транзисторные, электродинамические (динамические) и конденсаторные (электростатические).

Угольный микрофон

Одними из первых появились угольные микрофоны. Основное их достоинство -- высокая чувствительность, позволяющая использовать их без усилителя. Однако они имеют такие недостатки, как большая неравномерность частотной характеристики, значительные нелинейные искажения и низкая стабильность в работе -- со временем появляются трески и шумы. В настоящее время сохранились в телефонных аппаратах ранних выпусков.

Электромагнитный микрофон

Электромагнитный микрофон более стабилен в работе, но ему также свойственны недостатки: узкий частотный диапазон, большая неравномерность частотной характеристики и значительные нелинейные искажения. В настоящее время отживают свой срок в телефонных аппаратах.

Пьезокерамические микрофоны

Пьезокерамические микрофоны основаны на явлении поляризации некоторых сегнетоэлектриков при механической деформации, применяют в недорогих бытовых магнитофонах.

Транзисторные микрофоны.

Действие транзисторных микрофонов (весьма мало распространенных) основывается на том, что под действием звукового давления на диафрагму и скрепленное с ней острие, являющееся одновременно эмиттером полупроводникового триода, изменяется сопротивление эмиттерного перехода через него. Хотя транзисторные микрофоны с диафрагмой достаточно чувствительны, но они недостаточно стабильны и их частотные характеристики даже в сравнительно узком диапазоне частот неравномерны.

Угольные, электромагнитные и пьезоэлектрические микрофоны в настоящее время используют преимущественно только для передачи служебных речевых сообщений.

В профессиональных микрофонах (за исключением микрофонов для связи и озвучивания в транспорте) обычно используется два последних типа преобразователя. Поэтому рассмотрим их подробнее.

Динамические микрофоны, в свою очередь, подразделяются на катушечные и ленточные. Схематически простейшее их устройство показано на рис.2,3

Рис.4. Электродинамический катушечный микрофон.

В первом варианте цилиндрическую, бескаркасную катушку (как правило, двух- и, реже, четырехслойную) помещают в кольцевой зазор магнитной цепи, в катером создается равномерное магнитное поле радиального направления. Катушка прикреплена к куполообразной диафрагме с гофрированным воротником, выполняющим роль подвеса.

Рис.5. Электродинамический ленточный микрофон.

Когда диафрагма (из полимерного материала) под действием звукового давления совершает колебания провод катушки пересекает магнитное поле зазора (ширина которого обычно 0,4.,.0.6 мм) и в катушке индуцируется ЭДС.Постоянные магниты микрофонов изготавливаются из специальных материалов с высокими остаточной индукцией и коэрцитивной силой. Величина активного сопротивления такой катушки в различных моделях колеблется в пределах 20…600 Ом.

Как правило, с таким типом преобразователя делают микрофоны ненаправленные или с односторонней направленностью. В последнем случае в корпусе магнитной системы вскрывают отверстия, заклеиваемые шелком или другим пористым материалом, реализующим на втором входе активное акустическое сопротивление. Для расширения диапазона в сторону низких частот в таких микрофонах обычно применяют дополнительные замкнутые объемы, соединенные внутри с магнитом посредством трубок и отверстий разного сечения.

Для компенсации электромагнитных помех (фона переменного тока) в катушечных микрофонах последовательно с звуковой катушкой обычно включают антифонную катушку, наматываемую, как правило, на магнитную систему. Катушки включают таким образом, что наводимые в них фоновые напряжения, возбуждаемые в обеих катушках взаимокомпенсируются.

В ленточном преобразователе в качестве подвижного элемента используется гофрированная металлическая ленточка толщиной несколько микрон, помещаемая в магнитное поле между полюсными наконечниками постоянного магнита, зазор 1,5…2 мм. Ленточка служит одновременно и проводником тока и подвижной системой преобразователя. С таким типом преобразователя обычно реализуется микрофон с «восьмерочной»ХН, ненаправленные (с акустическим лабиринтом, закрывающим одну строну ленточки), реже односторонне направленные. Сопротивление ленточки 0,1.. .0,3 Ом, напряжение сигнала на ее выходе 20…30 мкВ при давлении 1 Па, соизмеримое с величиной напряжения электростатических помех в микрофонных кабелях. Поэтому напряжение, развиваемое ленточкой, предварительно увеличивают с помощью повышающего трансформатора, помещаемого в корпусе микрофона в экран из пермаллоя.

Отмечается особенная для ленточных микрофонов естественность, мягкость, прозрачность передачи тембра многих музыкальных инструментов, особенно струнных, тарелок. Это объясняется легкостью подвижного элемента -- ленточки, а, следовательно, и малыми переходными искажениями. Также в динамических микрофонах теоретически можно использовать ортодинамический преобразователь, но пока он не нашел применения в серийно выпускаемых моделях микрофонов.

Конденсаторные (электростатические) микрофоны (КМ) имеют два электрода подвижный и неподвижный, образующие обкладки конденсатора (рис. 4). Подвижный электрод -- мембрана из металлической фольги или полимерной металлизированной пленки толщиной несколько микрон. Под действием звукового давления она колеблется относительно неподвижного электрода, что приводит к изменению емкости капсюля (конденсатора) относительно состояния покоя. В КМ величина изменения емкости, а значит, и выходной электрический сигнал должны соответствовать звуковому давлению.

Рис.6. Конденсаторный микрофон.

Степень соответствия выходного напряжения звуковому давлению по амплитуде и частоте определяет ЧХЧ и динамический диапазон конкретного микрофона.

Неотъемлемой частью любого КМ является узел, согласующий электрический импеданс преобразователя с последующим усилительным устройством. Это электрическое звено КМ может быть высокочастотного и низкочастотного типов.

При высокочастотном типе преобразования капсюль КМ подключен к цепи контура генератора высокой частоты (порядка нескольких МГц). При этом получается частотная модуляция сигнала ВЧ, и лишь после демодуляции образуется сигнал звуковой частоты. Такое включение капсюля не требует поляризующего напряжения, для него характерен низкий уровень собственных шумов микрофона. Однако высокочастотная схема в микрофоне не нашла широкого применения в основном из-за сложности стабилизации частоты и в промышленных моделях микрофонов звукового диапазона встречается редко.

В дальнейшем изложении принципов работы и разновидностей КМ мы будем иметь в виду КМ с низкочастотным эвеном, к которым относится большинство современных моделей КМ. В них преобразование звукового давления в электрический сигнал происходит при внешней или внутренней (электретной) поляризации.

КМ в системе с внешней поляризацией (рис. 4) образует из электродов плоский конденсатор емкостью 10... 100 пф с воздушным зазором 20...40 мкм, который через сопротивление порядка 0,5...2 ГОм заряжается от источника внешнего напряжения Ц,. При колебаниях мембраны под действием звукового давления или разности давлений величина заряда обкладок из-за большой постоянной времени RС-цепочки остается неизменной. Величина переменной составляющей напряжения, образующегося в результате колебаний мембраны и соответствующим изменением емкости, пропорциональна смещению мембраны.

Примерно тридцать лет назад начато промышленное производство электретных конденсаторных микрофонов, для которых не нужен внешний источник поляризующего напряжения; в них в качестве мембраны используется полимерная электретная пленка, металлизированная с внешней стороны. Эта пленка поляризуется одним из известных способов и обладает свойством длительное время сохранять постоянный поверхностный заряд. Таким образом, вместо внешнего используется внутренний источник. В остальном работа такого преобразователя принципиально ничем не отличается от обычного КМ.

Упрощенно конструкция капсюлей КМ представлена на рис. 7. Из рисунков видно, что одномембранный конденсаторный микрофон при соответствующем выборе конструктивных параметров может быть с односторонней направленностью (рис. 7,а), ненаправленным (в этом случае щель 7 должна быть закрыта), а также с двусторонней направленностью (рис.7.б).

Рис. 7: а -- одномембранный микрофон; 6 -- даухмембранный микрофон; 1 -- мембрана; 2 -- неподвижный электрод; 3 -- воздушный зазор; 4--5 -- отверстия акустических каналов; б -- изолирующее кольцо; 7 -- калиброванные прокладки

В двухмембранном микрофоне обе мембраны могут быть электрически активными (рис. 7,б). Каждая половинка капсюля ДКМ представляет в акустико-механическом плане отдельный микрофон с кардиоидной характеристикой направленности, второй акустический вход которого осуществляется не через щель, как в одномембранном микрофоне, а через вторую (противоположную) мембрану, причем максимумы чувствительности этих микрофонов развернуты на 180°. Такой микрофон принято также называть акустически комбинированным. Помимо акустического в ДКМ реализуется и электрическое комбинирование.

Так, подав поляризующее напряжение на одну из мембран (активную), а вторую (пассивную) замкнув на неподвижный электрод, можно получить, при правильном выборе конструктивных параметров, микрофон с односторонней ХН, близкой к кардиоиде. При подаче на вторую мембрану равного по величине и знаку поляризующего напряжения получим ненаправленный микрофон. При подаче же на вторую мембрану равного по величине и противоположного по знаку поляризующего напряжения получим двустороннюю направленность ("восьмерку"). В промежуточных случаях при необходимости можно получить любую ХН (см. рис. 1).

Для конденсаторных микрофонов характерны следующие показатели: хорошая переходная характеристика с малой длительностью установления напряжения (10 мкс и менее), широкий частотный диапазон, малая неравномерность частотной характеристики, низкие нелинейные и переходные искажения, высокая чувствительность и низкий уровень шумов, хорошие массогабаритные показатели. Такие микрофоны, как правило, выполнены совместно с усилителем, выходное сопротивление которого считают выходным сопротивлением микрофона.

Хорошие образцы конденсаторных микрофонов имеют полосу частот не уже 20...20000 Гц при неравномерности 3...4 дБ и чувствительности не хуже 2 мВ/Па.

При выборе микрофонов для тех или иных условий работы необходимо учитывать всю совокупность технических и эксплуатационных требований, исходя из конкретных особенностей их использования. В связи с этим необходимо четко понимать, что же определяют технические характеристики микрофонов.

Основными техническими характеристиками, которые необходимо учитывать при выборе микрофонов, являются нижеследующие:

1.Номинальный диапазон частот, который в совокупности с неравномерностью частотной характеристики чувствительности, измеряемой в дБ, служит критерием правильной передачи спектра полезного сигнала.

2. Чувствительность по свободному полю, которая нормируется обычно на частоте 1000 Гц и измеряется в мВ/Па, а также связанный с этой величиной параметр -- уровень эквивалентного звукового давления (для КМ), обусловленный собственным шумом микрофона и нормируемый в дБ относительно нулевого уровня: .

Так как в любой системе преобразования и усиления сигнала всегда присутствуют собственные шумы, а микрофон является начальным звеном такой системы, то величина создаваемого им полезного сигнала определяет соотношение "сигнал/собственный шум" всей системы. Поэтому снижение чувствительности микрофона является нежелательным фактором. Следует также иметь в виду, что стремление к увеличению ширины воспроизводимого микрофоном диапазона частот приводит к уменьшению абсолютной величины его чувствительности. С другой стороны, чем шире диапазон частот микрофона, тем труднее получить в его пределах стабильную ХН.

3.Характеристика направленности определяет пространственную избирательность, т. е. ширину телесного угла, в котором полезный акустический сигнал не имеет существенной амплитудной неравномерности. ХН при фиксированном расстоянии от источника полезного сигнала определяет соотношение "полезный сигнал/ акустический шум" на относительно близком расстоянии от источника полезного сигнала, т. е. в пределах радиуса гулкости.

Тесно связано с ХН понятие коэффициента направленности Щ, определяющего направленные свойства микрофона в дальнем (относительно источника) поле. Его чувствительность к расположенному по оси микрофона полезному источнику звука в раз выше, чем к источникам помех, распределенным вокруг микрофона (к диффузному полю), или, другими словами, при одном и том же отношении сигнал/помеха на входе микрофона направленный микрофон может находиться в раз дальше от полезного источника, чем ненаправленный. В некотором приближении можно считать, что ненаправленный микрофон малых (по сравнению с длиной звуковой волны) поперечных размеров достаточно точно воспринимает полезный сигнал в телесном угле 150...180⁰. При более значительных размерах ненаправленного микрофона его ХН сильно зависит от частоты, заметно сужаясь на высоких частотах, поэтому угол охвата в этом случае нельзя считать большим 90°. Для кардиоидного микрофона с постоянной по частоте ХН угол охвата равен 120⁰, для суперкардиоидного -- 90°, гиперкардиоидного --- 60⁰, двусторонне направленного (с ХН "восьмерка") угол охвата равен 60⁰ с каждой его стороны. Также полезно (например, для расчета систем звукоусиления) знать, что коэффициент направленности ( микрофона с ХН "круг" и"восьмерка" равен 1, с ХН "гиперкардиоида" -- 4, "суперкардиоида" -- 3,7, "кардиоида" -- 3, а у остронаправленных микрофонов в среднем по диапазону он может достигать 5--7.

4.Уровень предельного звукового давления, выражаемый в дБ относительно, --это уровень, при котором коэффициент гармонических искажений не превышает 0,5 % или другого значения, установленного в технической документации. Этот параметр показывает пределы линейности амплитудной характеристики микрофона и вместе с уровнем собственного шума определяет динамический диапазон микрофона, а значит, и тракта в целом.

5.Модуль полного электрического сопротивления (импеданс), в Ом, обычно нормируемый на частоте 1000 Гц, определяет величину нагрузки (входного сопротивления усилителя или пульта), на которую работает микрофон. Как правило, для того, чтобы не было потери полезного сигнала, величина нагрузку должна превышать импеданс микрофона в 5-10 раз во всем диапазоне частот.

6.Габаритные размеры, масса, тип разъема, другие конструктивные особенности позволяют судить о возможности применения микрофона в тех или иных условиях.

Вся совокупность требований, предъявляемых к конкретному микрофону, определяется его назначением.

Группы деления микрофонов по назначению.

По назначению микрофоны подразделяются на три большие группы:

-- для бытовой аппаратуры магнитной записи;

-- для профессиональных целей;

-- специального назначения.

Профессиональные микрофоны также существенно различаются по назначению:

-- для звукозаписи и звукопередачи музыки и художественной речи в студиях грамзаписи, теле-, кино- и радиостудиях;

-- для систем звукоусиления музыки и речи;

-- для акустических измерений;

-- для диспетчерской связи.

Кроме того, микрофоны сильно отличаются по конструктивному решению в зависимости от условий их крепления и расположения относительно источника сигнала:

-- на напольных стойках;

-- на столе или трибуне;

-- встроенные (например, в столы заседаний);

-- для эстрадных солистов (ручные);

-- петличные (для крепления на одежде);

-- радиомикрофоны;

-- для видео- и кинокамер;

-- для использования на значительном расстоянии от объекта при репортажах и документальной съемке (остронаправленные);

-- граничного слоя.

Радиомикрофон

Радиомикрофон представляет собой приемопередающий комплекс. Собственно микрофон снабжен портативным радиопередатчиком (мощностью 10...50 мВт) с дальностью уверенного приема 50...200 м (зависит от чувствительности приемника 10...3 мкВ). Выход приемника подключают к одному из входов звукорежиссерского пульта. Основным недостатком радиомикрофонов является небольшой динамический диапазон, что ухудшает качество художественных программ.

Рис.8 Схема простейшего радиомикрофона

Схема простейшего радиомикрофона с радиусом действия не менее 25 м для диапазона частот 88...108 МГц показана на рис. 8. В качестве микрофона можно использовать любой электретный микрофон с высокой чувствительностью (МКЭ-332, МКЭ-333, CZN-15E и др.). В качестве транзистора можно использовать высокочастотный транзистор типа КТ368 со статическим коэффициентом передачи тока не менее 150. Положительная обратная связь снимается с дополнительной части обмотки и через конденсатор С2 поступает на базу транзистора. Катушка индуктивности содержит 7 витков провода диаметром 0,68 мм на оправке диаметром 5 мм. В случае, если транзистор в пластмассовом корпусе, катушку можно намотать поверх его корпуса. Отвод выполнен на расстоянии 2,5...3 витка от начала намотки. Монтаж можно выполнить навесным монтажом и смонтировать его, например, в корпусе от фломастера подходящего диаметра или в корпусе от китайского фонарика. Антенна представляет собой кусок провода длиной 25...40 см. Длину антенны можно уменьшить на 10... 15 см, включив ее через последовательную LC-цепочку из конденсатора емкостью 2,2...3,3 пФ

Рис. 9. Радиомикрофон

и индуктивности, имеющей 15 витков провода диаметром 0,3...0,4 мм на оправке диаметром 2,5 мм. Подстройку частоты передачи осуществляют подбором конденсатора СЗ или раздвиганием витков катушки. Подбором резистора -R2 и конденсатора СЗ добиваются максимальной выходной мощности, а резистора R1 -- оптимальной глубины модуляции.

Радиомикрофон, схема которого изображена на рис.9 , рассчитан на питание 9 В и содержит такое же количество деталей ,что ипредыдущая схема. Отличительная особенность в том, что положительная ОС, необходимая для возбуждения колебаний, снимается с коллектора транзистора и через конденсатор СЗ подается в эмиттер (емкостная трехточка). Индуктивность колебательного контура имеет те же моточные данные, что и в предыдущей схеме.

Следующая схема (рис.10.) также выполнена по схеме емкостной трехточки и рассчитана на напряжение питания 1,5 В. Моточные данные те же.

Схема радиомикрофона с дальностью 'действия до 1 км показана на рис. 11.

Модулятор микрофона выполнен по схеме емкостной трехточки и отличается от схемы на рис. 1.20 лишь напряжением питания. Сигнал |с отвода катушки L1 поступает через конденсатор С7 на выходной усилитель мощности, выполненный на транзисторе VT2. Индуктивности L1 и- L2 выполнены на оправке диаметром 5 мм и содержат по 7 витков провода диаметром 0,68 мм с отводом от третьего витка, индуктивности L3 и L4 содержат по 2 витка того же провода. Для более стабильной работы генератора модулятор необходимо экранировать медной фольгой и соединить ее с общим проводом

Рис.10

Для обеспечения максимального радиуса действия радиомикрофона требуется тщательная его настройка.

Рис.11 Схема радиомикрофона с дальностью 'действия до 1 км.

Лекция 16. Звукосниматели

Вопросы: 1. Магнитные головки, пьезоэлектрические головки, иглы. Выходные сигналы, характеристики.

2.Регулировки звукоснимателей на различной аппаратуре.

Литература: 1. А.В. Выходец и др. «Радиовещательная и электроакустическая аппаратура».Москва. « Радио и связь» 1989г.

5. А.С.Ефимов и др. «Акустика» Справочник. Москва. «Радио и связь» 1989 г.

6. А.А.Заикин, В.М.Карташова, Ю.А.Ружицкий

«Электроакустические и усилительные устройства» Москва. «Высшая школа».1984 г.

7. А.А.Петров «Звуковая схемотехника для радиолюбителей» Москва. «Радио и связь» 2004г.

5. Г.Кинг «Руководство по звукотехнике» Ленинград «Энергия» 1980 г

С прекращением выпуска в СНГ грампластинок интерес к проигрывателям грампластинок резко упал. Однако не следует забывать то, что у многих меломанов сохранились большие коллекции ценных записей в хорошем состоянии, что винил может выдать частоты вплоть до 25...28 кГц, в то время как для CD предел -- 20 кГц, причем, начиная с частот 8...9 кГц, -- со статически недостоверными фазой и амплитудой. Кроме того, отдельные схемы усилителей-корректоров могут представлять интерес для конструкторов как схемотехнические решения.

На смену грампластинкам пришли компакт-диски. Однако цифровая запись при частоте дискретизации 44 кГц в чем-то превосходит (например, отношение сигнал/шум), но во многом уступает аналоговой (например, диапазон частот; коэффициент гармонических искажений на частотах выше 1 кГц), т.к. при разработке первого цифрового формата не было учтено, что теорема Котельникова-Шеннона справедлива только для стационарного сигнала.

Спектр частот квадрофонических пластинок достигает 45 кГц. Для записи такого спектра рекордерами, предназначенными для записи с полосой частот до 20 кГц, прибегали к искусственному приему: воспроизведение мастер-ленты с магнитофона и запись лакового диска вели с уменьшенной более чем в 2 раза скоростью.

В режиме записи с постоянной амплитудой колебательной скорости амплитуды смещения убывают с ростом частоты, а если учесть, что на верхних частотах энергия высокочастотных составляющих акустических сигналов значительно меньше, то такая запись будет иметь низкое отношение сигнал/шум (С/Ш). Причем на монофонических записях, где запись сделана только в горизонтальной плоскости, снижение отношения С/Ш менее заметно. Хуже обстоит дело со стереофоническими записями, где управляющие резцом магниты повернуты на 45° (а друг по отношению к другу -- на 90°).Режим постоянства амплитуд смещения увеличивает отношение сигнал/шум более чем на 10 дБ. Однако такая запись, с одной стороны, приводит к режиму не огибания на высоких частотах, а с другой -- подвержена повышенному износу. Поэтому унифицированная амплитудно-частотная характеристика в соответствии с рекомендациями МЭК занимает промежуточное положение между указанными режимами. Для обеспечения возможно большей плотности записи и отношения С/Ш амплитуды сигналов при записи грампластинок подвергаются частотнозависимой предкоррекции в соответствии с международными нормами (RIAA).

Механическая грамзапись

Лаковый диск содержит в себе все особенности будущей грампластинки; резец, используемый для нарезания канавок и создания модуляций в монофонической, стереофонической и квадрафонической грампластинках, представляет собой прототип иглы звукоснимателя. Он приводится в действие головкой, которая является прототипом головки звукоснимателя.

Устройство по типу токарного станка заставляет головку резца радиально перемещаться по поверхности лакового диска со скоростью, необходимой для нарезки канавки с определенным углом наклона стенок; причем встроенное устройство изменяет размер канавки, обеспечивая запись уровней высокой модуляции амплитуды. Одноканальпая монофоническая информация записывается в канавке горизонтальными колебаниями резца так, чтобы «изгибы», соответствующие звуковому сигналу, были нарезаны внутри канавки. При воспроизведении они вызывают подобные колебания иглы звукоснимателя, которая, в свою очередь, создает ЭДС сигнала с характеристиками, подобными характеристикам первоначального сигнала.

Амплитуда и скорость.

Два фактора связаны с колеблющимся резцом или иглой звукоснимателя -- это амплитуда и скорость. При постоянной скорости амплитуда мала на высоких частотах и велика на низких, а при постоянной амплитуде скорость велика на высоких частотах и мала на низких. Математически это выражается формулами:

V=2·f·р·Б (1)

А= (2)

где V -- максимальная скорость, см/с или м/с; А -- максимальная амплитуда, см или м; f -- частота, Гц.

На рис. 1 приведена графическая иллюстрация, где на рис. 1, а волна 2 имеет в два раза большую частоту и половинную амплитуду по сравнению с волной 1 при постоянной скорости, а на рис. 1,6 волна 2 имеет в два раза большие частоту и скорость по сравнению с волной 1 при постоянной амплитуде (А₁ =А₂).

а)

б)

Рис. 1. Постоянная скорость (а) и постоянная амплитуда (6)

Чтобы избежать разрушения канавки на низких частотах и при высоких уровнях модуляции, сигналы с частотой ниже 1 кГц записываются с понижением уровня, в то время как для улучшения отношения сигнал-шум при воспроизведении сигналы с частотой выше 1 кГц записываются с повышением уровня. Конечный результат приводит к записи примерно с постоянной амплитудой, что создает необходимость в дополнительной коррекции при проигрывании.

Повсеместно принята в качестве стандартной характеристика грамзаписи:, созданная Ассоциацией промышленности грамзаписи США (Record Industry Association of America), которую сокращенно называют характеристикой по стандарту RIAA; она включена также в британский стандарт 1928:1955 и иногда приводится со ссылкой па этот стандарт.

Дополнительная кривая для воспроизведения определяется постоянными времени 3180, 318 и 75 мкс.

Параметры пластинки

Резец нарезает V-образную канавку, которая имеет номинальную ширину верхней части 0,0025 дюйма (62 мкм). Ширина канавки может отличаться от своей номинальной величины при изменении амплитуды низкочастотного записываемого сигнала. Расстояние между соседними канавками, называемое «полем нарезания», имеет номинальный размер 0,0015 дюйма (37,5 мкм). Угол между стенками канавки равен 90°, глубина канавки 0,00125 дюйма (31 мкм) и радиус нижней части (дна канавки) 0,00015 дюйма (3,75 мкм). Эти параметры относятся ко всем пластинкам с частотой вращения 45 и ЗЗ,3 об/мин, хотя с изобретением четырехканальной записи возможны небольшие изменения параметров.

Естественно, что канавки на пластинке нарезаются так, что резец движется радиально по пластинке. При воспроизведении это условие не всегда соблюдается, так как многие тонармы представляют собой модели, укрепленные на одной опоре. Отсутствие корреляции вызывает искажения, но тонармы разрабатываются и крепятся так, чтобы уменьшить их до минимума.

Современные пластинки нарезаются с использованием вертикального угла нарезки 15°, и новейшие звукосниматели сконструированы так, чтобы сохранить такой же угол при проигрывании, что снижает искажения, вызываемые отсутствием корреляции в условиях записи и воспроизведения.

При воспроизведении возникают различные виды искажений, одно из которых вызвано неправильным следованием иглы по канавке. Делаются попытки вносить дополнительные определенного вида искажения при записи, чтобы с их помощью улучшить качество воспроизведения.

Уровень записи

Уровень записи может быть указан в значениях амплитуды и скорости. На пластинках последних лет записана амплитуда до 0,005 см, причем предел ее ограничивается временем воспроизведения (с учетом переменного расстояния между канавками) и способностью резца записывать большие амплитуды на низких частотах, особенно как разностный сигнал. Максимальная скорость ограничивается геометрическим и механическим факторами узла резец- игла. Однако новые разработки фирмы «Шуар» показали, что максимальные скорости до 50 см/с и выше присутствуют в высокочастотном диапазоне современных грампластинок с широким динамическим диапазоном. Стандартный относительный уровень записи обычно равен 3,54 см/с.

Функцией частоты и скорости (или амплитуды) является ускорение, и современные грампластинки имеют ускорение, превосходящее величину, создаваемую силой тяжести, в 1000 раз!

Модуль ускорения стабильного сигнала определяется уравнением

№ =2·р·f·V или (2·р·f)² ·А

где а -- модуль ускорения; f -- частота, Гц; V--скорость, см/с; А -- амплитуда, см.

Модуль ускорения составляет 628·IО³, что в 640 раз больше ускорения силы тяжести. Такие большие ускорения очень важны в звукоснимателях, где эффективная масса конца иглы должна получать подобное же ускорение. Поэтому требуется очень малая эффективная масса конца иглы для получения практически необходимой силы.

Стереозапись

На стереофонической грампластинке левый канал записывается на внутренней стенке канавки, а правый -- отдельно на внешней стенке. На рис. 2 показаны основные элементы электромагнитной головки для стереозаписи с катушкой А, соответствующей левому каналу, и катушкой В для правого канала. Перемещая эти катушки вверх и вниз по осям, можно сблизить оси С и D, соединенные с держателем резца Е. Так как оси С и D расположены под углом 90° друг к другу и 45° к поверхности пластинки, то колебания оси С заставят резец записывать только на одной стенке канавки, а колебания оси D -- только на другой стенке канавки. Таким образом, сигналы левого и правого каналов передаются на катушки А и В. На рис. 2 дан резец в состоянии покоя относительно штриховой и штрихпунктирной линий.

На рис. 3 показано, как резец перемещается или колеблется при различных сигналах: а -- возбуждается только катушка А (левый канал); б-- возбуждается только катушка В (правый канал); в -- обе катушки возбуждены сигналами, находящимися в противофазе; г -- обе катушки возбуждены сигналами в фазе. Эти колебания позволяют нарезать в канавке модуляции, соответствующие условиям а, б, в и г на рис.4.

Известно, что относительные движения узла резца зависят от фазы сигналов в катушках. Катушка обычно фазируется так, что когда сигналы левого и правого каналов находятся в фазе, резец колеблется горизонтально, создавая «монофоническую» нарезку.

Рис. 2. Элементарное представление о головке резца дли стереофонических грампластинок

Рис. 3. Векторы колебаний резца при различных сигналах: а -- только левый канал; б --только правый канал.|; в---левый и правый каналы в противофазе; г -- левый и правый каналы в фазе:

Рис. 4. Нарезание канавок в результате различных фаз колебаний резца,

приведенных на рис. 3: а-- только левый капал; б -- только правый капал; в -- левый и правый каналы в противофазе; г -- левый и правый каналы в фазе (монофонический вариант)

Именно от фазирования частично зависит совместимость монофонической и стереофонической записи, поскольку из предыдущих описаний ясно, что монофонический звукосниматель получает выходной сигнал от горизонтальных компонентов нарезки без значительных потерь информации. Монофонический звукосниматель суммирует сигналы левого и правого каналов, и общий результат этой суммы представляет собой правильно сбалансированный моносигнал. Чтобы монофонический звукосниматель правильно воспроизводил запись со стереопластинки, он должен иметь определенную вертикальную податливость для воспроизведения вертикальных компонентов нарезки, даже если они не создают выходного сигнала.

Стереофонический звукосниматель с двумя каналами, соединенными в фазе, обеспечивает те же результаты; но если два канала соединены в противофазе, то произойдет затухание всей информации, находящейся в фазе.

Воспроизведение грамзаписи

Электропроигрыватель состоит из вращающегося диска и звукоснимателя. Диск предназначен для вращения пластинок с минимальными изменениями скорости и минимальным уровнем механического или электромеханического шума.

Звукосниматель состоит из тонарма и головки. Головка звукоснимателя -- это электрический преобразователь, который превращает в электрический сигнал информацию, записанную на стенках канавки, а тонарм -- это устройство, на котором укреплена головка; он помогает головке следовать по канавкам пластинки с наименьшими искажениями сигнала и обеспечивает минимальное давление иглы головки на стенки канавки в процессе преобразования сигнала.

Многие тонармы сконструированы так, что конец, на котором укреплена головка, может быть съемным. Съемная часть называется головкодержателем, и именно в ней укреплена головка. Некоторые тонармы имеют несъемный головкодержатель как средство уменьшения эффективной массы (например, новый тонарм фирмы SME), и совсем немногие модели имеют встроенную головку.

Головки звукоснимателя.

Головка создает электрический выходной сигнал за счет колебаний иглы, возникающих при прохождении модуляционных «изгибов», записанных на стенках канавки. Сигнал может быть получен с помощью различных хорошо известных электрических принципов, в том числе пьезоэлектрического, электромагнитного резистивного (т. е. принципа тензодатчнка), фотоэлектрического и емкостного (электростатического). Все эти принципы находят применение, но наиболее широко используемой является головка, основанная на электромагнитном принципе, причем существует большое разнообразие типов таких головок.

Магнитная головка.

Головки, использующие принцип электромагнетизма, обычноназываются просто электромагнитными головками. Одним из вариантов головок этого типа является головка с подвижной катушкой, основные особенности которой показаны на рис. 5.

Рис. 5. Основная конструкция головки с подвижной катушкой

1- катушка ; 2 -- демпфированная опора; 3 -- игла

Эта головка напоминает громкоговоритель с подвижной катушкой, в котором свободно подвешенная катушка с намоткой проводом колеблется в магнитном поле, создавая ЭДС сигнала в катушке, зависящую от вида колебаний и, следовательно, от вида модуляций канавок. Вместо катушки с намоткой проводом может использоваться один проводник в виде ленты. Такая головка называется ленточной. Элементарные представления о различных вариантах электромагнитных головок даны на рис. 5, 6 и 7. Во всех этих головках напряжение сигнала создается изменением магнитного потока, проходящего через катушку. На всех рисунках показан только один канал. Два канала, необходимые для стереофонических и квадрафонических матричных устройств могут быть получены путем применения двух одинаковых

Рис. 6. Основная конструкция головки с переменным магнитным сопротивлением

1-- цилиндрический магнит; 2 -- железистый иглодержатель; 3 -- игла; 4 -- полюсные наконечники; 5 -- катушки

Рис. 7. Основная конструкция головки с подвижным магнитом

1 - иглодержатель; 2 -- ярмо из металла; 3 -- лягушка; 4 -- верхний подшипник; 5-- стержневой магнит; 6 -- нижний подшипник; 7 и 8-- игла

Наибольшее распространение получили магнитные звукосниматели с подвижным магнитом («Moving Magnet», MM) и подвижной катушкой («Moving Coil», MC), выходной сигнал которых пропорционален относительной колебательной скорости грамзаписи s. Относительная колебательная скорость s и относительная амплитуда сигнала а связаны между собой зависимостью:

Для восстановления исходного сигнала частотная характеристика усилителя-корректора должна быть корректирована по обратно-зеркальному закону (кривая I на рис. 8).

Рис. 8 Выходной сигнал магнитного звукоснимателя ( крив. S) и АЧХ УК (крив. 1).

Так как каждому перегибу АЧХ корректора записи по часовой
стрелке (сдвиг фазы на -90°) соответствует перегиб АЧХ корректора
воспроизведения против часовой стрелки (сдвиг фазы на +90°), и
наоборот, система записи и воспроизведения грампластинок полностью обратима (чего не скажешь о системе магнитной записи) и не
вносит фазовых искажений, за исключением незначительных искажений, вызванных различиями формы режущей кромки рекордера и
игл звукоснимателей. Дополнительные фазовые искажения могут
иметь место и на внутренних дорожках грампластинки из-за несовершенства конструкции тонарма. Бытует мнение, что звукосниматели с подвижной катушкой дают более жесткое звучание за счет выбросов на фронтах сигналов, обусловленных моментом инерции катушек, а звукосниматели с подвижным магнитом обеспечивают более гладкие переходные характеристики и лучшее качество звучания за счет лучшей разрешающей способности и большей податливости подвижной системы. Ниже приведены технические характеристики МС-головки FROG датской фирмы «van den Hub.

Диапазон воспроизводимых частот, Гц , не уже 5...55000

Прижимная сила, г 1,35...1,60

Выходное напряжение (1 кГц, 5,7 см/с), мкВ, не менее 650

Разделение каналов, дБ, не менее:

на частоте 1 кГц 35

на частоте 10 кГц 30

Разбаланс каналов, дБ, не более 0,3

Индуктивность катушки, мГн 0,063

Рекомендуемое сопротивление нагрузки, Ом: типовое 500 (не менее 200).

Пьезоэлектрические головки.

В первых пьезоэлектрических головках использовались естественные кристаллические элементы, такие, как сегнетова соль. Эти головки назывались кристаллическими. Позднее для улучшения качества звучания стали применять специальную «поляризованную» керамику. Головки стали называться керамическими.

Рис. 9. Ряд гол опок звукоснимателя: а и б--пьезоэлектрические (головка «Дерам» фирмы «Дакка» представляет собой тип а); в и г -- головки с переменным магнитным сопротивлением; д и е -- головки с подвижной катушкой

1 -- игла; 2 -- керамические элементы; 3 -- корпуса из ПВХ; 4 -- изогнутый элемент; 5 -- скрученный элемент; 6 --опора; 7 -- катушки; 8-- два магнитных узла; 9 -- иглодержатели; 10 -- магниты; 11 -- иглодержатель; 12 -- система иглодержателя; 13 -- подвижные катушки; 14 -- магнитное поле, срезающее переднюю и заднюю части катушек.

На рис. 9. показаны стереофонические головки звукоснимателей. Хорошо известна керамическая головка типа «Дерам» фирмы «Дэкка», которая изображена на рис. 10. Эта головка имеет несколько вариантов, в одном из них применена эллиптическая игла.

Рис. 10 . 1-- сферическая игла; 2-- эллиптическая игла

Электромеханические преобразователи индуктивного типа (электромагнитный и электродинамический звукосниматели) вырабатывают ЭДС пропорциональную колебательной скорости. ЭДС преобразователей емкостного типа (конденсаторных и пьезоэлектрических звукоснимателей) пропорциональна смещению иглы (относительной амплитуде сигнала а), кривая I на рис. 11.

На первых порах преимущественно использовались пьезоэлектрические звукосниматели. Для восстановления исходного сигнала частотная характеристика усилителя-корректора должна быть корректирована по обратно-зеркальному закону предкоррекции (кривая II). Однако с целью удешевления в большинстве случаев этой коррекцией пренебрегали. Впоследствии такие звукосниматели, как наиболее простые, остались только в самых дешевых проигрывателях.

Рис. 11 ЭДС преобразователя ёмкостного типа( кривая 1), и требуемая АЧХ УК ( кривая 2).

В обоих случаях напряжение сигнала создается пьезоэлектричеством, которое возникает, когда кристаллический элемент упомянутого типа механически отклоняется или попадает под нагрузку. Выходной сигнал можно рассматривать как «заряд» на пластинках конденсатора (каковыми являются обе стороны кристаллического элемента), который изменяется в соответствии с модуляцией канавки.

Двухканальные стереофонические пьезоэлектрические головки используют два элемента в общей конфигурации 45°/45°, связанной с обычной иглой. Эта пара элементов иногда скреплена друг с другом, образуя «биморфную» систему, и элементы срезаны или обработаны так, что выходной сигнал от одного элемента является результатом скручивания, а от другого -- результатом изгиба; по этой причине они называются скрученным или изогнутым элементами. Горизонтальные компоненты приводят в действие скрученный элемент, вертикальные -- изогнутый. Другая конструкция представляет собой V-образную конфигурацию с углом 90°, где возможно применение двух скрученных элементов, что требует меньших гибкости и податливости иглы для создания выходного сигнала, чем при использовании изогнутых элементов.

Иглы

Концы игл последних выпусков изготовлены из сапфиров или алмазов, причем первые применяются в кристаллических и керамических головках. Замена иглы обычно вызывает смену всего узла иглы у магнитных звукоснимателей или иглодержателя у кристаллических и керамических головок. Некоторые головки, в которых игла является частью их конструкции, такие, как головки с подвижной катушкой и суммарно-разностные головки («Лондон» фирмы «Дэкка» или головки фирмы «Банг и Олуфсен»), должны быть возвращены на фирму-изготовитель для замены, хотя по заведенному порядку взамен устаревшей выдается новая головка за некоторую доплату.

Прежние пластинки с микроканавками могли воспроизводиться иглой с радиусом конца 25 мкм. Новейшие моно, стерео и квадрафонические матричные пластинки (исключая пластинки СД-4) требуют применения иглы с уменьшенным радиусом конца-- 12,5 мкм. Чем меньше радиус конца иглы, тем лучше будет следовать игла по канавкам с высокочастотной модуляцией, особенно в конце канавки, где скорость иглы ниже, а плотность модулирующего сигнала выше. Однако если радиус много меньше 12,5 мкм, то игла слишком «углубляется» в канавку и вызывает большой шум.

Этот недостаток можно устранить, используя бирадиальные, или эллиптические, иглы, которые имеют большую ось около17,5 мкм -- для устранения эффектов углубления в канавку и малую ось около 7,5 мкм -- для правильного следования по записанным модуляциям. Возможны изменения большого и малого радиусов, но во всех случаях целью остается обеспечение оптимального следования иглы на высоких частотах с наименьшим шумом, создаваемым от чрезмерного углубления конца иглы в канавку.

Усилители-корректоры

Нелинейные искажения современных предусилителей-корректоров составляют 0,002...0,003% на частоте 1 кГц при выходном напряжении 1 В. Запас по перегрузочной способности на частоте 1 кГц относительно уровня 3 мВ достигает 35...40 дБ. Точность воспроизведения АЧХ ± 0,2...0,5 дБ. Коэффициент усиления на частоте I кГц в пределах 34...40 дБ. Отношение С/Ш на частоте 1 кГц составляет 78 дБ для УК для звукоснимателя с подвижным магнитом (относительно уровня 2 мВ) и 71 дБ для УК для звукоснимателя с подвижной катушкой {относительно уровня 0,2 мВ). Номинальное входное напряжение на частоте 1 кГц составляет 5 мВ для УК для звукоснимателя с подвижным магнитом и 0,2...0,5 мВ для УК для звукоснимателя с подвижной катушкой. Ход АЧХ однозначно задается частотами перехода в соответствии с RIAA: