Elektroakustické měniče


Elektroakustické měniče převádějí mechanickou (akustickou) energii na elektrickou energii (akustické přijímače - mikrofony,...) nebo naopak elektrickou energii na mechanickou (akustickou) energii (akustické vysílače - reproduktory,...). Akustická energie se buď v příslušném mechanicko-elektrické soustavě mění na elektrickou energii (měnič je generátorem elektrické energie) nebo zvuková energie ovlivňuje určitým způsobem proud v soustavě (měnič pracuje jako rezistor s proměnným odporem). Měniče s přeměnou zvukové energie na elektrickou energii mohou pracovat v obou směrech, tj. jako mikrofony anebo jako reproduktory. Nejčastější užívané měniče jsou měniče elektrodynamické, elektromagnetické, magnetostrikční (všechny rychlostní); elektrostatické, piezoelektrické (všechny výchylkové); a odporové.

Elektrodynamický měnič

Jeho činnost je založena na principu vzájemného působení dvou magnetických polí. Jedno magnetické pole je tvořeno permanentním magnetem, druhé magnetické pole vytváří ve svém okolí vodič. Pracuje-li měnič jako přijímač pohybuje se vodič v magnetickém poli působením zvukové vlny. Pracuje-li měnič jako vysílač prochází vodičem signální proud, čímž se vytvoří magnetické pole, a dochází k pohybu vodiče. V přijímači i vysílači je vodič pevně spojen s membránou, proto je pohyb vodiče vždy totožný s pohybem membrány.

Elektromagnetický měnič

Tento měnič pracuje na principu elektromagnetu. Pracuje-li měnič jako vysílač vyvolá signální proud procházející cívkou pohyb vodivé membrány. Pracuje-li měnič jako vysílač je membrána vychylována zvukovou vlnou, což způsobí indukování napětí v cívce. Speciálním druhem tohoto měniče je tzv. magnetodynamický měnič. Využívá stejného fyzikálního principu, s tím rozdílem, že magnetický obvod je pevný a přímo kmitá magnet, na který se upevňuje membrána.

Magnetostrikční měnič

Činnost je založena na megnetostrikčním jevu, tj. využívají deformace některých feromagnetických látek v magnetickém poli. Síla deformující materiál je úměrná proudu, kterým se budí magnetické pole. Protože tyto měniče mají malou účinnost, používají se hlavně v oblasti ultrazvuku.

Elektrostatický měnič

Pracuje na principu deskového kondenzátoru, jehož jedna deska je pohyblivá. Pracuje-li měnič jako přijímač, mění se při dopadu zvukové vlny na pohyblivou elektrodu (membránu) poloha elektrody a tím i kapacita deskového kondenzátoru. Pracuje-li měnič jako vysílač, působí na kondenzátor signální napětí (a polarizační napětí) a v závislosti na jejich okamžité polaritě a amplitudě se mění směr a velikost síly, kterou je vychylována pohyblivá deska.

Piezoelektrický měnič

Tento měnič využívá ke své činnosti tzv. piezoelektrický jev, tj. krystaly některých látek vykazují na svých stěnách (jsou-li vhodně technologicky upraveny) při mechanickém namáhání elektrický náboj. Opačný jev - elektrostrikce - se využívá v měniči, který pracuje jako vysílač.

Odporový měnič

Činnost je založena na změně přechodového odporu mezi jednotlivými zrnky uhlíkového prachu, která jsou v rytmu působících zvukových vln k sobě více či méně stlačována, čímž se mění odpor a stejnosměrné napětí k měniči připojené (viz telefonní sluchátko).


MIKROFONY

Mikrofon se skládá z jednoho nebo několika elektroakustických měničů vhodného typu, užitých ve funkci přijímačů zvuku.

Charakteristické vlastnosti jsou - citlivost, frekvenční charakteristika, směrová charakteristika, mezní akustický tlak, vnitřní impedance, jmenovitá zatěžovací impedance.

Citlivost je dána poměrem výstupního napětí mikrofonu k akustickému tlaku, který napětí vybudil.

Frekvenční charakteristika vyjadřuje frekvenční závislost výstupního napětí mikrofonu při konstantním budícím akustickém tlaku.

Směrová charakteristika je závislost mikrofonu na směru přicházejících zvukových vln. Její průběh závisí na druhu mikrofonu a na kmitočtu. Nejčastější charakteristiky: kulová, osmičková, kardioidní.

Mezní akustický tlak je největší tlak, při kterém zkreslení výstupního signálu ještě nepřekročí povolenou hodnotu.

Vnitřní impedance je poměr výstupního napětí mikrofonu naprázdno k výstupnímu proudu nakrátko.

Jmenovitá zatěžovací impedance je zatížení, kdy jsou vlastnosti mikrofonu optimální (stanovena výrobcem).


Rozdělení mikrofonů např.:

- gradientní mikrofony nultého řádu (tlakové) - výstupní napětí je úměrné akustickému tlaku, mají kulovou směrovou charakteristiku, používá se kterýkoli výchylkový měnič bez úprav nebo rychlostní měnič s vhodnými akustickými tlumícími obvody

- gradientní mikrofony prvního řádu (rychlostní) - výstupní napětí je úměrné akustické rychlosti, mají osmičkovou směrovou charakteristiku, používají se především rychlostní měniče

Provedení mikrofonů:

Elektrodynamický páskový mikrofon

Využívá elektrodynamický měnič. Magnetický obvod mikrofonu tvoří permanentní magnet s pólovými nástavci. Funkci membrány a zároveň pohybujícího se vodiče zastupuje poddajný , příčně zvlněný, tenký hliníkový pásek. V něm se indukuje napětí úměrné akustické rychlosti. Mikrofon má malou impedanci a malou citlivost, avšak má vyrovnanou frekvenční charakteristiku.

Elektrodynamický cívkový mikrofon

Využívá elektrodynamický měnič. Cívka mikrofonu je upevněna na membráně. Rozkmitáním membrány se cívka pístovým pohybem pohybuje v magnetickém poli a indukuje se v ní napětí signálu úměrné tlaku. Parametry jsou cca shodné a páskovým mikrofonem, pouze impedance je velká. Frekvenční charakteristika je taktéž vyrovnaná, je však oprati páskovému mikrofonu odolnější proti otřesům. Nejpoužívanější.

Elektrostatický (kondenzátorový) mikrofon

Využívá elektrostatický měnič. Ke své činnosti potřebují značné (100-200V) pomocné polarizační napětí. Vnitřní impedance mikrofonu je značná, proto je nutné zpravidla přímo do mikrofonu instalovat předzesilovač. Citlivost je vysoká, vyrovnaná frekvenční charakteristika a téměř nulové zkreslení (používají se k měřícím účelům). Konstrukčně mohou být rychlostní - osmičková směrová charakteristika; nebo tlakové - kulová směrová charakteristika.

Elektretový mikrofon

Je to zvláštní odrůda elektrostatického mikrofonu. Obsahuje dielektrický elektretový materiál (keramika, plasty), ve kterém je permanentní elektrický náboj. Tím odpadá nutnost vnějšího polarizačního zdroje. Používají se většinou jako přenosné.

Elektromagnetický mikrofon

Využívá elektromagnetický měnič. Užívají se tam, kde nejsou velké požadavky na snímaný frekvenční rozsah (350-3500Hz). Citlivost průměrná, impedance větší. Převážně tlakové mikrofony. Použití: např. diktafony.

Uhlíkový mikrofon

Využívá odporový měnič. Ke své činnosti potřebuje stejnosměrné napájení. Změny akustického tlaku se přenáší přes membránu na uhlíkový prach, který je stlačován membránou v rytmu zvukových vln. Tím se mění odpor, a tyto změny způsobují změny proudu a tvoří na výstupu signální proud. Frekvenční rozsah 250-3500 Hz, velká citlivost, jednoduchá konstrukce, malý frekvenční rozsah a velký šum.

Ostatní elektroakustické měniče se pro mikrofony buď nepoužívají, nebo jsou zastaralé.


REPRODUKTORY

Reproduktory jsou elektroakustické měniče, které fungují jako vysílače.

Charakteristické vlastnosti jsou - účinnost, jmenovitá impedance, frekvenční charakteristika, rezonanční frekvence, charakteristická citlivost, maximální příkon (zatížitelnost).

Účinnost je dána poměrem vyzářeného akustického výkonu k elektrickému příkonu.

Jmenovitá impedance je minimální impedance, která nastane po impedanci rezonanční.

Frekvenční charakteristika je závislost akustického tlaku v ose reproduktoru na frekvenci při konstantním budicím napětí na svorkách reproduktoru.

Rezonanční frekvence je nejnižší frekvence, při které je impedance reproduktoru maximální, výchylka membrány je největší, celý systém je maximálně namáhán.

Charakteristická citlivost je definována průměrným akustickým tlakem v ose reproduktoru ve vzdálenosti 1m při příkonu 1VA.

Maximální příkon (zatížitelnost) se uvažuje při trvalém působení sinusového budicího signálu a je dán součinem napětí na svorkách reproduktoru a proudu kmitající cívky.









Rozdělení reproduktorů např.:

1) Podle způsobu vyzařování:

- přímo vyzařující (membrána přímo navazuje na prostředí poslechu)

- nepřímo vyzařující (tlakové)(membrána odevzdává energii zvukovodu přes tlakovou komůrku, čímž se zvětšuje účinnost)

2) Podle frekvenčního určení:

- hloubkové = hlubokotónové (20 - 4000 Hz)

- středové = středotónové (100 - 6000Hz)

- výškové = vysokotónové (1 - 20kHz)

- univerzální (100Hz - 10kHz)

- speciální

Provedení reproduktorů:

Elektrodynamický přímo vyzařující reproduktor

Tento reproduktor vyzařuje akustickou energii membránou vyrobenou ze speciálního papíru, který musí mít při malé hmotnosti dostatečnou pevnost. Na spodní konec membrány je nalepena kmitající cívka, která spolu s membránou pohybuje pístovým pohybem ve vzduchové mezeře magnetického obvodu. Horní, pružný okraj (vlnovka) membrány je upevněn k nosnému koši. Pístový pohyb membrány ve směru osy reproduktoru zajišťuje středící soustava (středící membrána) spolu s vlnovkou. Aby zkreslení bylo co nejmenší, musí membrána kmitat jako jeden celek, proto se zhotovuje ve tvaru nerozvinuté plochy. Kolem středu je membrána poměrně tuhá a tlustá, směrem k okrajům se její tuhost zmenšuje. Tvar a velikost membrány rozhodují o frekvenčních vlastnostech reproduktoru. Účinnost těchto reproduktorů je malá (3-5%).

Elektrodynamický nepřímo vyzařující (tlakový) reproduktor

Reproduktor pracuje na stejném principu jako přímo vyzařující. Liší se od něho tím, že jeho membrán je na okolní prostor vázána přes zvukovod. Membrána má tvar kulového vrchlíku a pohybuje se v tlakové komůrce. Vzduch, uzavřený v této komůrce, tlumí pohyb membrány, takže reproduktor lze budit větším příkonem než běžné reproduktory přímo vyzařující. Změny tlaku v tlakové komůrce se otvory přenášejí do zvukovodu (exponenciála), který impedančně přizpůsobuje kmitající systém a prostor vyzařování. Díky této úpravě mají tyto reproduktory vysokou účinnost (30-50%). Používají se k ozvučování veřejných prostranství a velkých prostorů.


Obrázky - viz učebnice Re - 3.ročník

dlabos.wz.cz