Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Пьезоэлектрические микрофоны



 
Рис. 12.4.Пьезоэлектрический микрофон

Для разработки простых мик­рофонов может использовать­ся пьезоэлектрический эффект. Пьезоэлектрический кристалл является прямым преобразова­телем механического напряже­ния в электрический заряд. Наиболее часто используемым материалом для изготовления датчиков является пьезоэлект­рическая керамика, которая может работать на очень высо­ких частотах. По этой причине пьезоэлектрические датчики применяются для пре­образования ультразвуковых волн (раздел 7.6 главы 7). Такие датчики также исполь­зуются и в звуковом диапазоне, пьезоэлектрические микрофоны часто можно встре­тить в разнообразной аудиоаппаратуре. Примерами применения пьезоэлектричес­ких акустических датчиков являются управляемые голосом устройства и аппараты для измерения кровяного давления. На рис. 12.4 показана схема простого микро­фона, подходящего для этих случаев. Он состоит из пьезоэлектрического керами­ческого диска с двумя электродами, нанесенными на него с двух сторон. Электро­ды соединяются с проводами либо при помощи токопроводящей эпоксидной смо­лы, либо методом пайки. Поскольку такие микрофоны обладают очень высоким выходным импедансом, они должны подключаться к усилителю с высоким вход­ным импедансом.

Пьезоэлектрические пленки из поливинилидена фторида (PVDF) и сополимеров

 
(А)
(Б)
Рис. 12.5. Пьезоэлектрический звукоснима­тель складного типа (А), устройство гидро­фона на основе свернутых PVDF пленок

использовались в течение многих лет для производства звукоснимателей для музы­кальных инструментов [7]. Одним из пер­вых применений пьезопленок был звуко­сниматель для скрипки. Позже появились звукосниматели для акустических гитар. Пьезоэлектрические звукосниматели об­ладают очень высоким качеством воспро­изведения, что послужило тому, что на их базе были разработаны датчики вибраций и акселерометры. Поскольку PVDF име­ет очень низкую добротность, у таких пре­образователей нет авторезонанса, какуке-рамических звукоснимателей. На рис. 12.5А показана конструкция экраниро­ванного звукоснимателя. Чувствительным является электрод, расположенный на внутренней стороне складной структуры. Он имеет несколько меньшие


размеры, чем второй электрод, выполняющий роль экрана. Такой звукосниматель об­ладает лучшей чувствительностью, чем традиционные звукосниматели. Для построе­ния гидрофонов, работающих в воде, пленка может быть свернута в виде трубок, со­единенных параллельно (рис. 12.5Б).

Электретные микрофоны

 
Рис. 12.6. Структура электретного микрофона. Тол­щина слоев на рисунке значительно увеличена для облегчения понимания принципа действия этого устройства. [9]

Электретные материалы являются близкими родственниками пьезо- и пироэлек-триков. На самом деле все они являются электретными материалами с ярко выра­женными либо пьезоэлектри­ческими, либо пироэлектри­ческими свойствами. Электрет — это диэлектрический матери­ал кристаллической структуры с постоянной электрической поляризацией. Первое описа­ние применения электретных материалов для изготовления микрофонов и наушников дано в 1928 году [8]. Электретные микрофоны — это электроста­тические преобразователи, со­стоящие из металлизированной электретной диафрагмы и ме­таллической пластины, отде­ленных друг от друга воздуш­ным зазором (рис. 12.6)

Верхний слой металлизации и металлическая пластина соединены друг с дру­гом через резистор R. Напряжение на этом резисторе усиливается и используется в качестве выходного сигнала микрофона. Поскольку электрет является электри­чески поляризованным диэлектриком, плотность заряда на его поверхности о, является постоянной величиной. Этот заряд приводит к формированию в воз­душном зазоре электрического поля Ev Когда акустическая волна ударяется о ди­афрагму, она отклоняется вниз, уменьшая воздушный зазор sx на величину As. От­клонение диафрагмы приводит к появлению на электродах напряжения:


 

(12.2)


Фазы изменения напряжения и отклонения диафрагмы совпадают. Если датчик обладает емкостью С, уравнение (12.2) изменится:


 

(12.3)


где f — частота звуковой волны.


Возвратные силы, действующие на мембрану, определяются упругостью возду­ха в зазоре, эффективная толщина которого равна s0, и механическим напряжени­ем мембраны Т. Считая величину потерь незначительной, зависимость перемеще­ния мембраны As от величины звукового давления Dр можно записать в виде [10]:


 

(12.4)


где gудельная теплоемкость, r0 — атмосферное давление, А — площадь диафраг­мы. Если считать, что чувствительность микрофона определяется выражением: dm=DV/Dp, ее значение в условиях резонанса можно найти из уравнения [9]:


 

(12.5)


Из последнего выражения видно, что чувствительность микрофона не зависит от площади диафрагмы. Если масса мембраны равна М, резонансная частота опре­деляется выражением:


 

(12.6)


Эта частота должна быть значительно выше верхней частоты рабочего диапазона микрофона.

Электретные микрофоны отличаются от других аналогичных устройств тем, что им для работы не требуется дополнительного источника постоянного напряже­ния. Тогда как при таких же размерах и чувствительности на емкостной микрофон необходимо подавать напряжение выше 100 В. Механическое напряжение диаф­рагмы обычно довольно маленькое (около 10 Н/м), поэтому возвратная сила опре­деляется, в основном, сжимаемостью воздушного зазора. Для изготовления диаф­рагмы иногда используют Teflon FEP (FEP — фторированный этилен пропилен). Температурная чувствительность электретных микрофонов составляет порядка 0.03 дБ/°С в диапазоне температур —10...+50°С [11].

Электретные микрофоны обладают рядом достоинств: они могут работать в широком частотном диапазоне от 10 3 Гц до сотен Мгц, у них плоская частотная характеристика (в пределах ± 1дБ), они обладают: низким уровнем нелинейных искажений, высокой виброустойчивостью, хорошей реакцией на импульсное воз­мущение и нечувствительностью к магнитным полям. Чувствительность элект­ретных микрофонов составляет порядка нескольких мВ/мкбар.

Для работы в инфразвуковом диапазоне в металлической пластине электрет­ных микрофонов проделываются отверстия для выравнивания давления. Также здесь часто требуется подача дополнительного напряжения смещения (как в ем­костном микрофоне) для усиления поляризации.

Электретные микрофоны обладают высоким импедансом, поэтому интерфей­сные схемы для работы с ними должны иметь высокий входной импеданс. До не­давнего времени на входе интерфейсных плат всегда стояли полевые транзисто-


ры. Теперь все большую популярность завоевывают монолитные усилители. При­мером таких усилителей служит LMV1014 (National Semiconductors), являющий­ся звуковым усилителем с очень низким потреблением тока (38 мкА), работаю­щий от небольшой батарейки напряжением 1.7...5 В.

 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.