Tato prezentace byla vytvořena v rámci projektu Orbis pictus 21. století

Elektoroakustické měniče OB21-OP-EL-ELN-JANC-U-2-019

Elektroakustika Elektroakustika je obor, který se zabývá přenosem akustických signálů elektrickou cestou, jejich záznamem a reprodukcí. Akustika je obor fyziky, který se zabývá vznikem, šířením a působením zvuku ve frekvenčním rozsahu, které lidské ucho slyšitelně vnímá, t, j, od 16 Hz do 16000 Hz. Horní hranice je v dětství až 20000 Hz, stárnutím se zmenšuje.

Elektroakustika Zvuk je mechanické vlnění, které se může šířit pouze pomocí částic hmotného prostředí. Při šíření zvuku nastává zhušťování a zřeďování hmotných částic prostředí. Místa zhuštění a zředění částic postupují prostředím určitou rychlostí, která se nazývá rychlost šíření zvuku a pohybuje se za normálních podmínek okolo 340 m/s.

Elektroakustika Vzduch, ve kterém se zvuk šíří, má vzhledem k místnímu základnímu atmosférickému tlaku v místech zhuštění částic mírný přetlak a v místech zředění mírný podtlak. Tyto změny tlaku se nazývají akustický tlak. Lidské ucho nevnímá při stejném akustickém tlaku zvuky různých frekvencí stejně hlasitě. Jsou-li zvukové vlny naprosto pravidelné, nazývají se tóny, jsou-li nepravidelné, nazývají se hluky.

Elektroakustické měniče Elektroakustické měniče přeměňují elektrické signály na akustické nebo naopak. Přeměna se děje většinou prostřednictvím mechanických prvků.

Elektroakustické měniče Elektrodynamický měnič využívá při přeměně elektrického signálu na akustický působení sil magnetického pole trvalého magnetu a magnetického pole vzniklého kolem vodiče, kterým prochází proud. Při opačném jevu způsobuje akustický signál pohyb vodiče v magnetickém poli trvalého magnetu, a tím vzniká elektrické napětí úměrné akustickému signálu.

Elektroakustické měniče Elektromagnetický měnič využívá k přeměně elektrického signálu na akustický signál sil, které působí na pohyblivou část magnetického obvodu. Magnetické pole v obvodu vytváří kromě permanentního magnetu také budící cívka, kterou prochází proměnný elektrický proud. Při opačném jevu ovlivňuje akustický signál pohyblivou část magnetického obvodu. V cívce se indukuje napětí úměrné akustickému signálu.

Elektroakustické měniče Elektrostatický měnič je v podstatě kondenzátor, jehož pohyblivá elektroda je ovlivňována silou úměrnou změně intenzity elektrického pole. Při opačné přeměně mění akustický signál kapacitu měniče a tím proud, který jím prochází.

Elektroakustické měniče U piezoelektrického měniče způsobí elektrický signál přivedený na krystaly vhodných materiálů jejich deformaci v rytmu elektrického signálu. Deformací krystalů akustickým signálem dochází k jevu opačnému a na plochách krystalů vzniká elektrický signál.

Elektroakustické měniče U magnetostrikčního měniče vzniká akustický signál deformací feromagnetické látky magnetickým polem, které vytváří budící vinutí. U opačné přeměny způsobí akustický signál deformaci měniče a vznik elektrického napětí. Tento druh měniče se používá u zařízení, které pracují s ultrazvukem.

Mikrofony Mikrofony jsou elektroakustické měniče, které přeměňují akustické signály na signály elektrické. Mezi jejich důležité parametry citlivost, frekvenční a směrová charakteristika. Citlivost se udává poměrem napětí na svorkách mikrofonu k akustickému tlaku, který jej způsobil. Závisí na směru dopadu akustického tlaku a na frekvenci.¨

Mikrofony Frekvenční charakteristika udává závislost citlivosti mikrofonu na frekvenci zvuku. Rozmezí, ve kterém citlivost nepoklesne o více než 3 dB, se nazývá frekvenční rozsah. Směrová charakteristika udává závislost citlivosti na směru, ze kterého se šíří zvuková vlna. Její tvar je závislý na druhu mikrofonu a na frekvenci zvuku.

Mikrofony Podle principu přeměny zvukového signálu se rozlišují mikrofony: Uhlíkové (odporové) – používají se v telefonii Elektrodynamické – páskové – mají malou citlivost, připojují se pomocí transformátoru s velkým převodem - cívkové – mají asi dvojnásobnou citlivost proti páskovým mikrofonům Elektrostatické – jsou to v podstatě deskové kondenzátory - elektretové – používají se ve spotřební elektronice Piezoelektrické – deformuje se piezoelektrický krystal a vzniká střídavé napětí

Obr. 1 Uhlíkový mikrofon M – membrána, P – uhlíkový prach Mikrofony Obr. 1 Uhlíkový mikrofon M – membrána, P – uhlíkový prach

Mikrofony Mikrofony uhlíkové (odporové) mění zvukový signál na základě změny odporu prachové uhlíkové náplně. Konstrukční uspořádání je na obr. 1. Kruhové kovové pouzdro je zcela naplněno uhlíkovým prachem P a uzavřeno kovovou membránou M. Zvukové vlny rozechvívají membránu, tím se zrnka uhlíkového prachu stlačují a mění se celkový odpor mikrofonu. Proud z pomocného stejnosměrného zdroje se potom mění v rytmu zvukových vln. Mikrofon má značnou citlivost, ale také značný vlastní šum. Používá se v telefonii.

Mikrofony Páskový mikrofon (obr. 2) má silný permanentní magnet s pólovými nástavci N. V magnetickém poli mezi pólovými nástavci je pásek P, zhotovený ze zvlněné hliníkové fólie o síle 1 až 2 µm. Pásek plní funkci membrány. Působením zvukových vln dochází k pohybu pásku v magnetickém poli a tím k indukci malého střídavého napětí. Citlivost mikrofonu je malá, proto se připojuje pomocí transformátoru s velkým převodem.

N – pólové nástavce permanentního magnetu, P – pásek Mikrofony Obr. 2 Páskový mikrofon N – pólové nástavce permanentního magnetu, P – pásek

G – magnet, N – pólové nástavce, C – cívka, M – membrána, K - kryt Mikrofony Obr. 3 Cívkový mikrofon G – magnet, N – pólové nástavce, C – cívka, M – membrána, K - kryt

Mikrofony Cívkový mikrofon má kovovou membránu M pevně spojenou s cívkou C (obr. 3). Cívka se pohybuje v silném radiálním magnetickém poli permanentního magnetu G.

Mikrofony Elektrostatické mikrofony jsou v podstatě deskové kondenzátory, které mají jednu elektrodu pevnou a druhou je tenká kovová fólie (obr. 4). Vzdálenost mezi elektrodami je několik desítek µm. Působením zvukového signál dochází k průhybu membrány M, mění se vzdálenost mezi elektrodami E a M, a tím i kapacita mikrofonu. V sérii s mikrofonem je zapojen rezistor s velkým odporem a zdroj stejnosměrného polarizačního napětí. Při změně kapacity mikrofonu vytvářejí nabíjecí a vybíjecí proudy na rezistoru střídavý úbytek napětí v rytmu zvukových vln. Mikrofony mají značnou citlivost a velmi dobrou frekvenční charakteristiku.

Mikrofony Obr. 4 Princip elektrostatického mikrofonu E – pevná elektroda, I – izolace, M – membrána

Mikrofony Elektretové mikrofony jsou speciální elektrostatické mikrofony, které nevyžadují vysoké polarizační napětí. Bývají kombinovány s aktivními prvky, vestavěnými v pouzdru mikrofonu. Mikrofony piezoelektrické mají krystal z piezoelektrického materiálu, který je při deformaci vlivem zvukových vln zdrojem střídavého napětí. Mikrofony mohou být buď bez membrány (její úlohu přebírá krystal), nebo s membránou, která je mechanicky vhodně spojena s krystalem.

Děkuji za pozornost Ing. Ladislav Jančařík

Literatura J. Chlup, L. Keszegh: Elektronika pro silnoproudé obory, SNTL Praha 1989 M. Bezděk: Elektronika I, KOPP České Budějovice 2002