Elektroakustické měniče

Rozdělení akustiky Důvody a cíle zájmů o akustiku jsou různé, a právě podle toho se tento obor dá rozdělit na několik částí: Fyzikální akustika - studuje způsob vzniku a šíření zvuku. Dále se zabývá jeho odrazem a pohlcováním v různých materiálech. Hudební akustika - zkoumá zvuky a jejich kombinace se zřetelem na potřeby hudby. Fyziologická akustika - se zabývá vznikem zvuku v hlasovém orgánu člověka a jeho vnímáním v uchu. Stavební akustika - zkoumá dobré a nerušené podmínky poslouchatelnosti hudby a řeči v obytných místnostech a sálech. Elektroakustika - se zabývá záznamem, reprodukcí a šířením zvuku s využitím elektrického proudu.

Spektrum signálu -opakování Dva pohledy na tentýž objekt - signál SIGNÁL OSCILOSKOP SPEKTRÁLNÍ ANALYZÁTOR

Opakování – proč decibely (dB)? Bilance zisku (nebo ztráty) linky představuje „spoustu násobení“. Velký rozsah hodnot naznačuje, že je výhodnější použít logaritmickou stupnici.

Logaritmy log10(x) = y ……pak platí , že: x = 10y G = 10. log(Pout/ Pin ) (dB) log(A . B) = log(A) + log(B) log(xn ) = n. log(x) Log(100) = 2 , protože 102 = 100. Log(1000) = 3, protože 103 = 1000. Log(1000 000) = 6, protože 106 = 1 000 000. Log(10) = 1, protože 101 = 10. Log(1) = 0 , protože 100 = 10. Log(1/10) = -1, protože 10-1 = (1/10) Log(1/1000) = -3, atd.

Příklad užití dB –energetická . bilance ( angl. Link Budget )

Základní energetická bilance (angl. Link Budgets) Zpravidla je nutné zjistit a analyzovat souvislost výkonů s (např. Bit Error Rate (BER) nebo Packet Loss Rate),aj Pd = PT/(4πd2) (W /m2)

Ztráta šířením volným prostorem Určete ztrátu šířením volným prostorem FSPL na družici vzdálené cca 40.000 km, pracující na 15 GHz? λ = c / f = 3 x 108 / 15 x 109 = 0,02 m. d = 4 x 107 m. Takže FSPL = 20.log(0,02 /(4x 107) = =20log (3,98 x 10-11) = -208 dB Ztráta FSLP =20log (λ/4πd)

Intenzita záření klesá s druhou mocninou vzdálenosti Pd = PT/(4πd2) (W /m2) 36 000 km

Základní pojmy z akustiky Akustický tlak – p [Pa] Intenzita zvuku – I [W/m2] Hladina zvuku – [dB] Hlasitost – [Ph] =10-12 W/m2 2.10-5 Pa

Základní pojmy z akustiky Akustický tlak – p [Pa] Intenzita zvuku – I [W/m2] Hladina zvuku – [dB] Hlasitost – [Ph] =10-12 W/m2 =2.10-5 Pa

Úroveň ( Level )signálu (útlum a zisk -,+ dB) Absolutní ( kolik mW, V,….?) a Relativní úroveň( kolikrát vůči čemu??) [ dB ] [ Np ]

Absolutní ( kolik)výkonová úroveň je dána stejnými výrazy jako relativní úroveň, za P se však dosazuje hodnota zdánlivého výkonu Po = 1 mVA. Na impedanci Z = 600 W tomuto výkonu odpovídá napětí Uo = 0,775 V a proud protékající impedancí 600 W je Io = 1,29 mA. Hodnoty Uo = 0,775 V, Io = 1,29 mA, Po = 1 mVA, Z = 600 W se nazývají referenčními hodnotami

Útlum A a zisk S, úroveň L S = - A, A = - S

Poměr dB výkonově napěťově 1 10 20 100 40 1 000 30 60 10 000 80 Atd.

Lidský sluch

Zvukové vlny vstupují do ucha, jsou zachyceny bubínkem (2) a předány do hlemýždě pomocí sluchových kůstek (4), V hlemýždi (5) se zvuk přeměňuje na proměnlivý tlak kapaliny, jíž je hlemýžď vyplněn. Tyto změny jsou zachyceny stereocilii na vláskových buňkách (6) a převedeny na nervové impulsy (7), které putují do mozku sluchovým nervem.

MOŽNOSTI LIDSKÉHO SLUCHU

Vlastnosti hovoru Základní tón Kmitočtový rozsah Dynamika řeči Hlásky Formanty

Srozumitelnost Poznatelnost - LOGATOMY Telefonní kanál (standard ITU) (0,3 – 3,4)kHz - experiment [%] [%]

Elektroakustické měniče Základní principy a vztahy: Elektromagnetický Elektrodynamický Piezoelektrický Elektrostatický Odporový mikrofon - uhlík

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

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

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

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

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

Elektromagnetický měnič využívá se v rozmezí 300 až 3 400 Hz v telefonním sluchátku Princip elektromagnetu jako přijímač → využívá změn 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

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

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

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)

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

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

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

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

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

Amplitudová kmitočtová charakteristika mikrofonu

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

Směrová charakteristika mikrofonu - ledvinová

Směrová charakteristika mikrofonu - superledvinová

Směrová charakteristika mikrofonu - osmičková

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

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

Odporový (uhlíkový) mikrofon

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

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

Elektrodynamický mikrofon

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

Dynamický mikrofon: membrána pohybuje cívkou v magnetickém poli, vytvořeném permanentním magnetem, čímž je vytvářen elektrický proud (viz Zákon elektromagnetické indukce). Dynamické mikrofony jsou méně citlivé než kondenzátorové mikrofony, lépe proto zpracují například hlasitý zpěv při živých vystoupeních, ozvučení veřejných shromáždění apod. Bývají poměrně odolné proti mechanickému poškození. Nevyžadují napájení. Zvláštním případem dynamického mikrofonu je mikrofon páskový. Membránou je kovový pásek umístěný v magnetickém poli. Vzhledem k jeho mechanické konstrukci je náchylný k mechanickému poškození a je proto používán výhradně ve studiových podmínkách.

Uhlíkový mikrofon byl prvním prakticky použitelným mikrofonem, hojně se využíval do 30. - 40. let 20. století, v telefonech až do 80. let 20. století. Membrána stlačuje uhlíková zrnka, čímž mění jejich odpor. Mikrofon umožňuje přímo modulovat procházející signál, čehož se využívalo na počátku 20. století, kdy ještě nebyly k dispozici zesilovací prvky. V začátcích rozhlasového vysílání uhlíkovými mikrofony přímo procházel signál vysílače s vysokým výkonem, mikrofony proto vyžadovaly chlazení. Uhlíkové mikrofony jsou velmi nekvalitní, při nežádoucím pohybu vydávají intenzivní chrastivé zvuky a proto byly umísťovány do těžkých pouzder upevněných do soustavy pružin. Piezoelektrický mikrofon se používal převážně v 50. letech 20. století. Pracuje na principu piezoelektrického jevu: stlačováním některých materiálů (solí některých minerálů) vzniká elektrický proud. Tyto mikrofony však nikdy nebyly příliš kvalitní. Používaly se převážně v systémech veřejného ozvučení a i tam se od jejich užívání záhy upustilo s nástupem dynamického mikrofonu. Piezoelektrického jevu se však dlouhou dobu využívalo v zařízení podobnému mikrofonu - gramofonové přenosce.

Obrázky mikrofonů: Běžný mikrofon k PC cenově nenáročný stojí pouhých 50 kč. Tento mikrofon je už kvalitnější i vzhledově a stojí okolo 850 Kč

Headset Zařízení kombinované sluchátka + mikrofon je to v jednom celku jsou absolutně mobilní.

Obrázky headsetu : Vysoce kvalitní headset zpracovává prostorový zvuk cenově vyšší stojí 1300Kč Běžný Headset cenově nenáročný stojí 200Kč

Elektrostatický mikrofon

Telefonní přístroj 1849 Charles Bourseul – chvějící se destička uzavírá obvod… 1860 Johan Philip Reis – obdoba – „telefon“ 1876 A. G. BELL Elektromagnetický princip (Elisha GRAY) ??? Edison – HT - vylepšování mikrofonu (dosah) – „Haló“

Telefonní přístroj Vedení Parametry vedení S Primární: R, L, C, G Sekundární: Zo, g

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)

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

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 reproduktoru je 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)

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)

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

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

Dělená reprodukce zvuku Používá se pro jakostní reprodukci celého akustického pásma. Při 2 pásmové reprodukci je to pásmo nízkých a vysokých frekvencí a při 3 pásmové je to pásmo nízkých, středních a vysokých frekvencí. Pro celé pásmo vyhovují středové od 100Hz do 10KHz. K rozdělení akustického pásma se používají výhybky. Jsou to dvojbrany s kondenzátory a cívkami, v zapojení jako horní a dolní pásmová propust. Dělící frekvence se volí 600-800Hz mezi hloubky a středy. 6-8KHz se volí mezi středy a výškami. Pro jednodušší soustavy se používá útlumová charakteristika se strmostí 6dB/oktávu a u složitějších 12dB/oktávu.

Dělená reprodukce zvuku

2-pásmová výhybka k reproduktorům 300W MAX

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

Elektrodynamický reproduktor

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

Piezoreproduktor

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

Elektrostatický reproduktor