1 МИНИСТЕРСТВО КУЛЬТУРЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

реклама
1
МИНИСТЕРСТВО КУЛЬТУРЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ
КИНО И ТЕЛЕВИДЕНИЯ»
Кафедра акустики
Ш.Я. ВАХИТОВ, Я.Ш. ВАХИТОВ
МИКРОФОНЫ. ТЕЛЕФОНЫ. ГАРНИТУРЫ
Теория, расчет, конструирование, эксплуатация
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2010
2
УДК 621
ISBN 978-5-94760-093-3
Рецензент
заведующий кафедрой электроакустики и ультразвуковой техники Санкт-Петербургского
государственного электротехнического университета доктор технических наук, профессор
К.Е. Аббакумов
Вахитов Ш.Я., Вахитов Я.Ш. Микрофоны. Телефоны. Гарнитуры.
Теория, расчет, конструирование, эксплуатация. - СПб.: изд. СПбГУКиТ,
2010. -261с.
Книга посвящена одной из важных проблем современной акустики разработке комплексной теории различных видов электроакустической
аппаратуры.
Монография предназначена для специалистов, занимающихся
разработкой, производством и эксплуатацией электроакустической
аппаратуры, а также для аспирантов, магистрантов и студентов старших
курсов, специализирующихся по акустике и электроакустике.
Рекомендовано к изданию Советом факультета аудиовизуальной
техники СПбГУКиТ.
Протокол № 5 от 17.12. 2009 г.
© Ш.Я. Вахитов, Я.Ш. Вахитов. 2010
3
ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРОВ
Настоящая монография посвящена вопросам теории, расчета и
принципам
конструирования
различных
типов
современной
электроакустической аппаратуры. Основополагающими в этих вопросах
были ранние работы А.А. Харкевича и Л.Я. Гутина, опубликованные еще в
30-х годах прошлого столетия и посвященные принципам проектирования
наиболее простых типов электроакустической аппаратуры, только что
появившимся в то время. Что касается акустически более сложных типов
микрофонов и телефонов, то литературные данные по ним до последнего
времени остаются крайне лаконичными и, как правило, ограничиваются
качественными оценками, не всегда соответствующими истине. Задача
данной работы - компенсировать этот пробел, изложив с системных позиций
принципы формирования комплексных характеристик указанных типов
аппаратуры, основанные на оптимальном согласовании парциальных
характеристик их подсистем. Другая задача, стоящая перед авторами данной
монографии - это углубление физических представлений о процессах,
происходящих в электроакустической аппаратуре на разных стадиях
преобразования акустических колебаний воздушной среды в электрические
сигналы и обратно, а также разработка в дальнейшем на этой основе методов
комплексного акустического проектирования различных типов аппаратуры.
Особенностью построения и рубрикации данной монографии является
системно-структурное изложение результатов исследований авторов. При
работе над монографией авторы, конечно, использовали кроме результатов
собственных исследований не устаревающие книги по акустике и
электроакустике Харкевича А. А., Гутина Л. Я., Фурдуева В., Иофе В. К.,
Сапожкова М. А., Стретта (Рэлея) Д. В., Беранека А., Скучика Е., Морза Ф. и
других авторов.
Несмотря на то, что монография имеет научно-техническое
содержание, изложение материала в ней направлено на разъяснение прежде
всего физической стороны дела, особенно важной для инженеровразработчиков электроакустической аппаратуры, поэтому, где это только
возможно, авторы стремились к упрощению математического аппарата, а при
рассмотрении ряда вопросов зачастую излагали только конечные результаты
исследований, представляя их в удобной для расчетов форме, а иногда и
сознательно пренебрегали математической строгостью изложения. Надеемся,
что математические подробности, без которых всё же нельзя обойтись при
изложении теории и расчетных методов проектирования аппаратуры, нигде
не заслоняют физической сущности рассматриваемых вопросов.
Не секрет, что в настоящее время российская наука, техника и
производство наукоемкой продукции переживает глубокий кризис.
Коснулось это и электроакустики, довольно специфической отрасли
технической физики. Надежды на то, что опыт и знания советского
поколения специалистов будут переданы через разрозненные статьи,
опубликованные в разное время в несуществующих сейчас журналах, или
через технические отчеты, в лучшем случае пылящиеся в архивах рухнувших
ВНИИ и ЦКБ, по
4
меньшей мере наивны. Мы убеждены, что единственный реальный путь
передачи опыта и знаний через поколение в таких отраслях - это
максимальная концентрация и обобщение накопленного научного багажа в
монографиях и других книгах, подводящих итоги развития того или иного
направления.
Данная монография призвана решить одну из частных проблем,
поставленных выше. У нас есть все основания считать, что в ряде
направлений электроакустики, скромные достижения отечественной науки
пока вполне сопоставимы с «мировым уровнем», а в ряде моментов
(например, в методах расчета акустико-механических элементов, методах
проектирования различных типов аппаратуры и в целом ряде других
вопросов) даже опережают его.
Монография предназначена прежде всего для наших коллег специалистов, занимающихся разработкой, производством и даже
эксплуатацией электроакустической аппаратуры, а также для тех, кто должен
прийти им на смену, т.е. для аспирантов, магистров и студентов старших
курсов, специализирующихся по акустике и электроакустике. Книга может
быть полезна и инженерам, занимающимся смежными вопросами, такими как
разработка
электростатических
и
рупорных
громкоговорителей,
высокочастотных головок прямого излучения, а также другой
электроакустической аппаратуры. В данной работе авторы сознательно не
представили подробные методики проектирования конкретных видов
аппаратуры, разработанные и опубликованные в более ранних работах [2, 3,
18], т.к., по нашему мнению, это сузило бы сферу применения
рассмотренных здесь результатов, которые носят достаточно универсальный
для электроакустики характер.
Структурно монография состоит из предисловия, четырех глав и
списка литературы.
Первая глава посвящена, в основном, изложению теории и методов
расчета различных подсистем и узлов большинства существующих типов
динамических катушечных микрофонов, построению аналитических моделей
их ЧПХЧ в целом с учетом ранее исследованных полевых факторов. Также
уделено внимание аналитическим соотношениям для расчета эквивалентных
сосредоточенных параметров ряда распределенных систем, таких как
эквивалентная гибкость и площадь диафрагмы динамического катушечного
преобразователя с куполообразной диафрагмой (микрофона, телефона, ВЧ головки). Подробно рассмотрен расчет магнитных систем с учетом
специфики характеристик магнитных материалов, появившихся в последние
годы.
Вторая глава посвящена, в основном, изложению теории и методов
расчета акустико-механических подсистем различных типов конденсаторных
микрофонов. Достаточно много внимания уделено определению
эквивалентных сосредоточенных параметров ряда распределенных систем,
характерных для различных типов электростатических преобразователей
(таких как эквивалентная масса и трение в воздушных зазорах различной
конфигурации, определению границ
5
зон динамического равновесия при разнородном характере стока из
воздушного зазора и др.). Рассмотрены вопросы теории и проектирования
микрофонов, предназначенных для специфических (внестудийных) условий
эксплуатации, таких как системы звукоусиления, системы связи в условиях
сильных шумов и вибрации, а также мало освещенные в литературе вопросы
теории остронаправленных микрофонов.
Третья глава посвящена вопросам теории и конструирования головных
телефонов (по терминологии авторов - отофонов) с различным типом
акустического оформления и преобразования сигналов. Теории и методам
расчета телефонов в технической литературе (по крайней мере
русскоязычной) по целому ряду причин с 80-х годов прошлого столетия
уделялось весьма мало внимания, здесь мы стремились как-то исправить эту
ситуацию. Теория отофонов, как и микрофонов в предыдущих главах,
рассматривается с системных позиций, что позволяет читателям более четко
понять физику описываемых явлений.
Четвертая глава посвящена вопросам эксплуатации различных типов
электроакустической аппаратуры (микрофонов, головных телефонов,
гарнитур), теория которых была рассмотрена в первых трех главах настоящей
монографии. По нашему мнению, вопросам правильной эксплуатации
электроакустической аппаратуры в серьезной технической литературе
уделялось незаслуженно мало внимания, что зачастую порождало в среде
звукорежиссеров и других специалистов по эксплуатации целый ряд ничем
не обоснованных положений, зачастую граничащих с мифами. В этой главе
мы постарались дать кроме общих рекомендаций свое видение процесса
эксплуатации, базирующееся как на физических представлениях, так и на
собственном и чужом опыте, а не на легендах. Эта глава изложена в
максимально «облегченном» виде для лучшего ее понимания широким
кругом аудиоинженеров и звукорежиссеров.
Следует отметить, что разделение на главы в данной монографии носит
довольно условный характер. Так, например, теория однонаправленных
микрофонов (динамических и конденсаторных) с фазосдвигающей цепочкой
rc типа рассмотрена в параграфе 1.3, так как несмотря на разные типы
преобразователей в этих микрофонах больше общего, чем различий.
Рассмотрение их по отдельности заняло бы существенно больший объем, а
также привело бы к неизбежным повторам уже сказанного, что, на наш
взгляд, не всегда целесообразно. В параграфах 1.5 и 1.6 рассматриваются
методы расчета подвижной и магнитной системы катушечного
электродинамического преобразователя, что одинаково применимо и для
динамических микрофонов, и для телефонов, и для купольных головок
громкоговорителей. В параграфе 2.6 рассматриваются методы расчета ряда
элементов конденсаторных микрофонов, таких, как распределенная система в
виде слоя воздуха в зазоре. Эти методы применимы в равной степени для
ряда телефонов и плоских электростатических головок громкоговорителей, а
также для купольных электродинамических головок, например, рупорных
громкоговорителей, где результаты наших исследований уже сейчас нашли
вполне конкретное отражение [36].
6
Главы 1 (кроме параграфа 1.6), 2 и 4 написаны Ш.Я. Вахитовым,
глава 3 и параграф 1.6 написаны Я.Ш.Вахитовым. Разделение по авторству на
главы и параграфы в монографии носит достаточно условный характер, так
как авторы используют при изложении своих разделов не только результаты
собственных работ, но и работ соавтора.
Насколько нам удалось реализовать указанные выше стремления – судить
читателям этой книги.
В заключение считаем приятным долгом выразить признательность
нашему рецензенту – заведующему кафедрой электроакустики и
ультразвуковой техники СПбГЭТУ (ЛЭТИ) доктору технических наук,
профессору К.Е. Аббакумову,
а также коллективу редакционноиздательского отдела СПбГУКиТ за внимательный просмотр рукописи, ряд
ценных замечаний и пожеланий, а также за оказанную помощь и полезные
советы.
7
Основные сокращения
АМП – акустико-механическая подсистема;
АОС – акустическая обратная связь;
ВЧ – высокие частоты;
ДКМ – двухмембранный конденсаторный микрофон;
ГИ – гармонические искажения;
ГГ – громкоговоритель;
ГТ – головные телефоны;
ЗЗК – звукомерная заглушённая камера;
ЗК – звуковая катушка;
ЗТ – звуковой тракт;
КМ – конденсаторный микрофон;
КЭМС – коэффициент электромеханической связи;
МЦ, МС– магнитная цепь, магнитная система;
МФ – микрофон;
НКМ – ненаправленный конденсаторный микрофон;
НИ – нелинейные искажения;
НЧ – низкие частоты;
НЭ – неподвижный электрод;
ОКМ – однонаправленный конденсаторный микрофон (одномембранный);
ОДМ – однонаправленный динамический (катушечный) микрофон;
ОФ – отофон;
ПС – подвижная система;
СЗУ – система звукоусиления;
СЧ– средние частоты;
ТЗ – техническое задание;
ФСЦ– фазосдвигающая цепочка;
ХН – характеристика направленности;
ЧД – частотный диапазон;
ЧМ – частотная модуляция;
ЧГГХЧ – частотно-пространственная характеристика чувствительности;
ЧХЗД – частотная характеристика звукового давления;
ЧХЧ – частотная характеристика чувствительности;
ЭАХ – электроакустические характеристики;
ЭДП – электродинамический преобразователь;
ЭМП – электромеханический преобразователь;
ЭЭС – эквивалентная электрическая схема.
Механические и акустические величины
 ,  ,  –колебательное смещение, скорость, ускорение;
F – механическая сила, [н];
z – полное комплексное механическое сопротивление [кг/с];
8
r, m, с – активное механическое сопротивление [кг/с]; масса [кг];
гибкость [М/н];
s =1/с – упругость [н/ М];
1
– инерционное и упругое сопротивление [кг/с] ;
 m,
с
p0 – плотность воздуха 1,23[кг/м 3 ];
c0 , v 0 –скорость звука в воздухе 340 [М/с];
p – звуковое давление;
f – частота колебаний;
 – круговая частота;
Pa – атмосферное давление;
J –интенсивность звука;
k– волновое число;
λ – длина звуковой волны;
η – коэффициент потерь - величина, обратная добротности;
М, M(f), E(0), E(f) – чувствительность и частотная характеристика
чувствительности микрофона, ЧХЗД отофона (головного телефона);
M(f, θ), М(f, θ, R) – частотно-пространственная характеристика
чувствительности в поле плоской и сферической волны (ближнем поле);
Wэ , Wa – мощности [Вт] электрическая и акустическая;
J – интенсивность звука [Вт/м2];
R(θ) – характеристика направленности;
θ – угол к акустической оси;
Ω – коэффициент направленности микрофона;
N, L – уровни [дБ];
К г – коэффициент гармоник.
Электрические и магнитные величины
i = q – ток [А], первая производная заряда [К Л /с];
е, u –переменная электродвижущая сила;
U 0 – постоянное напряжение [В];
 0 ,  – диэлектрическая постоянная вакуума 8,85  1012  Ф м  , относительная
диэлектрическая проницаемость материала;
В – магнитная индукция;
Z – полное (комплексное) электрическое сопротивление [Ом] ;
W1 , W2 – число витков первичной и вторичной обмотки трансформатора;
R, L, С – активное электрическое сопротивление [Ом], индуктивность [Г],
ёмкость [Ф];
1
 L,
– индуктивное и емкостное сопротивление [Ом].
c
9
Другие величины
S – площадь [м2];
l – длина [м];
n = S 1 /S 2 = W 1 , W 2 = l 1 /l 2 - коэффициент трансформации;
 – ширина зазоров и щелей;
∆ – толщина оболочки (подвижного элемента, мембраны или диафрагмы)
р 1 – плотность материала мембраны;
S 1 – площадь мембраны, эквивалентная площадь мембраны;
τ – натяжение мембраны [н/м 2 ] ;
Е – модуль Юнга; динамический модуль упругости материала;
 – коэффициент Пуассона;
р, v – плотность и скорость звука в любом материале или среде;
X, R – расстояние от источника звука до микрофона или до точки
расположения слушателя [м];
К – коэффициент связи выходной и входной величин;
d, l э – эквивалентная геометрическая разность хода звуковой волны и ее
продольная (осевая) составляющая [м].
10
ГЛАВА 1. ТЕОРИЯ и РАСЧЕТ ДИНАМИЧЕСКИХ
МИКРОФОНОВ
1.1. Функционально-системная структура и классификация микрофонов
Микрофоном (МФ) называется электроакустический аппарат,
осуществляющий преобразование акустических колебаний в воздушной
среде в электрические сигналы. Иначе говоря, МФ представляет собой
устройство, на вход которого действует звуковое давление р, создаваемое
источником звука в заданной точке звукового поля, а на выходе получается
электрический сигнал с напряжением и. При этом имеется в виду, что
величина р – давление в свободном поле, т.е. при отсутствии микрофона и
отраженных волн в выбранной точке поля. Эффективность такого
преобразования в целом оценивается отношением напряжения на выходе
микрофона к звуковому давлению на его входе и называется
чувствительностью МФ, которую сейчас принято нормировать в мВ/Па.
Современный микрофон представляет собой достаточно сложную
систему, которую можно представить цепочкой функциональный звеньев
или ступеней, отображающих характер происходящих в них частных
преобразований (рис. 1.1). Поэтому для полноценного анализа работы
микрофонов
необходим
системный
подход,
основы
которого
применительно к электроакустической аппаратуре были заложены А.А.
Харкевичем, а в настоящее время получили дальнейшее развитие в
работах [1-4]. В соответствии с системными представлениями
микрофон, рассматриваемый как комплексная электроакустическая
система, может быть разделен на ряд подсистем (звеньев), а именно:
акустическую, акустико-механическую
(механическую),
электромеханическую (механоэлектрическую) и электрическую. Название
каждой подсистемы определяется характером и физической природой
происходящих в ней процессов.
В общем случае чувствительность микрофона М во всем диапазоне
звуковых частот может быть представлена произведением
М=
u F  e u
=    ,
p p F  e
(1.1)
где р – звуковое давление в свободном поле; F – внешняя сила,
действующая на входы микрофона;  | - колебательная скорость активной
мембраны; е – ЭДС, создаваемая преобразователем; u – напряжение на
нагрузочном сопротивлении.
Рис. 1.1. Функционально-системная структура микрофона
Рис. 1.2. Иллюстрация к изменению величины звукового давления на торце цилиндра
0
0
при фронтальном (0 ) и скользящем (90 ) падении звуковой волны
Рис. 1.3. Частотная зависимость коэффициентов дифракции D 0 ,D 90 ,D m
Рис. 1.4. Приемник давления (а), его ЭЭС (б), иллюстрация пространственной
характеристики (в)
Отношения
F  e u
; ; ; представляют
p F  e
собой
парциальные
чувствительности соответственно акустической, акустико-механической,
электромеханической и электрической подсистем микрофона, о которых
говорилось ранее. Оговоримся сразу, что, как будет видно из дальнейшего
изложения, чисто аналитически эти парциальные чувствительности не
всегда удается разделить, например, в однонаправленных микрофонах с
внутренней фазосдвигающей цепочкой.
Свойства акустической подсистемы, или акустической антенны,
характеризуют микрофон как приемник звука. Звуковое давление,
создаваемое источниками звука, воздействует на акустический вход (или
входы) микрофона. В результате взаимодействия приемника звука и
звукового поля формируется механическая сила (или силы), зависящая от
ряда факторов: волновых размеров и формы корпуса микрофона и его
акустических входов, волнового расстояния между последними, угла
падения звуковой волны относительно акустической оси микрофона,
характера звукового поля.
Акустико-механическая
подсистема
(звено)
служит
для
согласования в заданном диапазоне частот силы (или сил), формируемых
приемником (антенной), с величиной колебательной скорости (для
динамических микрофонов) или колебательного смещения (для
конденсаторных) подвижного элемента преобразователя. Эту подсистему
обычно представляют в виде механической модели-аналога или
эквивалентной электрической схемы. Свойства этого звена определяются
как его топологией, так величиной и частотной зависимостью, входящих в
него акустико-механических элементов (масс, гибкостей, активных
сопротивлений). В конструктивном отношении эти элементы
представляют собой различные зазоры, щели, отверстия, объемы,
пористые элементы, находящиеся обычно внутри капсюля микрофона.
Это звено определяет частотную характеристику чувствительности
(ЧХЧ) микрофона и совместно с акустическим звеном формирует у
комбинированных и однонаправленных микрофонов их характеристику
направленности (ХН) в широком диапазоне частот.
Электромеханическая (или, точнее, механоэлектрическая в
микрофонах) подсистема представляет собой электромеханический
преобразователь, работающий в микрофонах в режиме генератора и
преобразующий механические колебания подвижного элемента в
электродвижущую силу (ЭДС). Эффективность и стабильность работы
преобразователя зависит также от ряда факторов, например в
конденсаторных микрофонах - от площади мембраны и неподвижного
электрода, величины зазора между ними, напряжения поляризации,
механических и электрических свойств материала мембраны и т. д.
Эффективность
преобразователя
принято
характеризовать
коэффициентом электромеханической связи е/£.
Электрическая подсистема обычно представляется в виде
электрической схемы, состоящей из обычных электрических элементов.
Это звено выполняет функцию согласования электрической стороны
преобразователя с последующим усилительным устройством (например, в
конденсаторных
микрофонах
согласует
большое
емкостное
сопротивление капсюля с относительно низкоомным входом
последующего усилительного устройства). Это звено определяет такой
немаловажный
параметр,
как
собственный
шум
микрофона.
Электрическое звено осуществляет также перераспределение ЭДС,
наводимой в преобразователе, между нагрузкой и другими элементами
электрической схемы, что, естественно, влияет на чувствительность
микрофона. В некоторых моделях электрическая схема служит для
коррекции частотной характеристики.
Основными
классификационными
признаками
микрофонов
являются: тип приемника (или характеристика направленности); тип
преобразователя; назначение (область применения); конструктивное
исполнение; способ связи с трактом (проводные, радиомикрофоны). Как
видно, основными факторами классификации являются ведущие
подсистемы: акустическая и электромеханическая.
Тип приемника определяет направленные свойства МФ,
выражаемые
обычно
характеристикой
направленности
(ХН).
Характеристикой направленности R(  ) называют функциональную
зависимость чувствительности при произвольном угле падения звука  к
его осевой чувствительности (т.е. при  =  0 ) в свободном поле на
частоте f или в полосе частот. Аналитически ХН обычно представляют в
виде « улитки Паскаля»:
R(  )=M(  )/M( )=a+βcos  .
(1.2)
По этому признаку МФ делятся на:
– приемники давления (круговые, ненаправленные), где a =1, β =0;
– симметричные приемники разности или градиента давления
(восьмерочные, двунаправленные), где а = 0, β =1;
– несимметричные разности давления (односторонне направленные).
Последний тип приемника реализует такие ХН, как
кардиоида, суперкардиоида, гиперкардиоида, субкардиоида, которые
подробнее будут рассмотрены дальше.
По
направленности
также
различают
комбинированные
(акустически и электрически) и остронаправленные микрофоны, в
которых ХН имеет более острую форму, чем это допускает «улитка
Паскаля». Последние в зависимости от способа обострения ХН
подразделяют на интерференционные («пушки»), фокусирующие
(рефлекторные) и биградиентные (градиента второго порядка).
По типу преобразователя микрофоны бывают: угольные (в
стационарных телефонных аппаратах), динамические (катушечные и
ленточные), конденсаторные (с внешним источником и электретные),
пьезоэлектрические (биморфные и пленочные) и др.
По назначению МФ могут быть: бытовыми, специального
назначения и профессиональными. Последние также подразделяются по
более узким признакам: для акустических измерений, звукозаписи
музыки, вокала и художественной речи в студийных условиях, систем
звукоусиления (музыки и речи), диспетчерской связи и т.д.
По конструктивному исполнению (условиям эксплуатации) МФ
бывают: ручными (для солистов), петличными (для крепления на одежде),
для различных музыкальных инструментов, граничного слоя (PZM), для
трибун и столов заседаний (на «гусиной шее»), для видео- и кинокамер,
для уличных репортажей и т.д. О назначении МФ и применимости их в
тех или иных условиях судят по совокупности их технических параметров
и характеристик, или иначе – по показателям качества (подробнее об этом
см. в главе 4).
Тип приемника и тип преобразователя являются определяющими
суть микрофона звеньями. Акустико-механическое и электрическое
звенья -согласующими, основная задача которых - обеспечение
минимальных потерь полезного сигнала, а также получение требуемой
для данного микрофона частотной и пространственной характеристики.
Частотные и пространственные характеристики микрофонов в реальности
взаимосвязаны и взаимозависимы [2, 39], поэтому здесь мы введем наше
обобщающее их понятие, теперь уже узаконенное российскими
стандартами [42, 43]. Частотно-пространственной характеристикой
чувствительности (ЧПХЧ) микрофона будем называть функциональную
зависимость чувствительности микрофона одновременно от частоты, угла
падения звуковой волны относительно акустической оси и от расстояния
до источника звука, т.е. M(f, θ, R). При измерениях ЧПХЧ представляют
семейством частотных характеристик чувствительности для различных
углов падения звуковой волны при фиксированном расстоянии от
источника звука.
Скачать