Úvod do zvukových převodníků

V tomto tutoriálu se seznámíme s převodníky zvuku. Dva běžné zvukové měniče jsou mikrofony a reproduktory. Přehled Úvod Co je to zvuk?Co jsou to zvukové měniče?Mikrofon (vstupní měnič zvuku)Uhlíkový mikrofonPohybující se železný mikrofonPohybující se cívkový mikrofon nebo dynamický mikrofon Páskový mikrofonPiezoelektrický mikrofonReproduktor Kondenzátor Mikrofon ReproduktorD Dynamický převodník zvukuDynamický převodník zvukuDynamický reproduktor Pohybující se převodník zvuku a ReproduktorPiezoelektrické reproduktoryElektrostatické reproduktoryÚvod Zvuk je zobecněný termín pro akustické vlny, které jsou typem podélných vln, které se šíří kompresí a dekompresí v adiabatickém procesu. Frekvenční rozsah akustických vln se pohybuje mezi 1 Hz až desítkami tisíc Hz. V tomto obrovském rozsahu může člověk slyšet mezi 20 Hz až 20 K Hz. Zvukové nebo zvukové převodníky jsou dvou typů: vstupní senzory nebo zvuk pro elektrické převodníky a výstupní akční členy nebo elektrické převodníky pro zvuk. Příkladem vstupního snímače je mikrofon a výstupním aktorem je reproduktor. Zvukové převodníky mohou detekovat a přenášet zvukové vlny. Pokud je frekvence zvukové vlny velmi nízká, pak se nazývají infra – zvuk. A pokud je frekvence zvukové vlny velmi vysoká, pak se nazývají ultra – zvuk. ZPĚT NA ZAČÁTEK Co je to zvuk? Zvuk a vibrace jsou vzájemně propojeny, protože zvuk je spojen s mechanickými vibracemi. Mnoho zvuků je způsobeno vibracemi pevných látek nebo plynů. Podle ANSI je zvuk definován jako „oscilace tlaku, napětí atd., šířící se v prostředí s vnitřními silami nebo superpozicí takto šířených oscilací“. Zvuková vlna je tvar vlny způsobený vibrací. Tento tvar vlny způsobí, že se v jakémkoli materiálu ovlivněném zvukovou vlnou vytvoří stejné vibrace. K přenosu zvukových vln je potřeba médium, které lze vibrovat. Vibrující předmět nebo materiál stlačuje okolní molekuly vzduchu a ředí je. Vakuem nedochází k přenosu zvukových vln. Při přenosu zvuku má tři důležité parametry vlny: rychlost nebo rychlost, vlnovou délku a frekvenci. Tyto charakteristiky jsou podobné jako u elektrického tvaru vlny. Frekvence a tvar vlny zvuku jsou určeny původem zvuku nebo frekvencí a tvarem vlny vibrací, které zvuk způsobují. Rychlost a vlnová délka zvuku závisí na médiu, které přenáší zvukové vlny. Vztah mezi třemi parametry rychlostí, vlnovou délkou a frekvencí je uveden níže. Frekvence (f) = Rychlost (m/s) / Vlnová délka (λ) Jednotky frekvence jsou Hertz (Hz). Odkaz na zdroj obrázku: electronics-tutorials.ws /io/io46.gif Rychlost zvuku v daném materiálu závisí na hustotě a elasticitě materiálu. Proto je rychlost zvuku vyšší v pevných látkách a nízká ve vysokotlakých plynech. Objektivní měření zvukových vln využívá intenzitu přijímací plochy měřenou jako počet wattů zvukové energie na metr čtvereční. Ucho má nelineární odezvu a citlivost se mění v závislosti na frekvenci zvuku. Frekvenční rozsah, ve kterém může lidské ucho detekovat zvuk, je mezi 20 Hz až 20 kHz. Odezva ucha je maximální v oblasti 2 kHz. ZPĚT NA ZAČÁTEK Co jsou to zvukové převodníky? Zvukový převodník je zařízení, které dokáže převádět zvukové signály na elektrické signály nebo elektrické signály na zvukové signály. V prvním případě jsou nazývány jako vstupní zvukové převodníky a příkladem je mikrofon. V druhém případě se nazývají výstupní zvukové převodníky a příkladem je reproduktor. Mikrofon (převodník vstupního zvuku) Převodník zvuku nebo zvuku na elektrickou energii je mikrofon nebo se jednoduše nazývá mikrofon. Mikrofon vytváří elektrické analogové signály, které jsou úměrné zvukovým vlnám působícím na jeho membránu. Mikrofony jsou klasifikovány podle typu elektrického měniče, který používají. Kromě měniče využívá mikrofon akustické filtry a pasáže, jejichž tvar a rozměry modifikují odezvu celého systému. Charakteristiky mikrofonu jsou elektrické i akustické. Citlivost mikrofonu se vyjadřuje jako mV elektrického výkonu na jednotku intenzity zvukové vlny. Značný význam má impedance mikrofonu. Mikrofon s vysokou impedancí má vysoký elektrický výstup, zatímco mikrofon s nízkou impedancí je spojen s nízkým výstupem. Díky vysoké impedanci je mikrofon citlivý na brum. Důležitým faktorem je také směrovost mikrofonu. Pokud se mikrofon používá pro snímání tlaku zvukových vln, pak je Omni – směrový tzn. zachytí zvuk přicházející z libovolného směru. Mikrofon je směrový, pokud reaguje na rychlost a směr zvukové vlny. Typ zvukového měniče nemusí nutně určovat princip činnosti jako tlak nebo rychlost, ale nejdůležitějším faktorem je konstrukce mikrofonu. běžné typy mikrofonů jsou: Uhlíkový mikrofon, Moving Iron mikrofon, Moving Coil mikrofon, Páskový mikrofon, piezoelektrický mikrofon a elektretový kondenzátorový mikrofon. ZPĚT NA ZAČÁTEK Uhlíkový mikrofonUhlíkový mikrofon byl prvním typem mikrofonu, který byl vyvinut pro použití v telefonech. Nyní je nahrazují elektretové kondenzátorové mikrofony. Uhlíkový mikrofon používá granule uhlíku držené mezi membránou a zadní deskou. Když jsou granule stlačeny, odpor mezi membránou a zadní deskou značně klesá. Vibrace membrány, které jsou výsledkem zvukové vlny dopadající na ni, mohou být převedeny na změny odporu granulí. Mikrofon vyžaduje externí napájení, protože negeneruje napětí. Hlavní a jedinou výhodou uhlíkového mikrofonu je, že produkuje výstup, který je podle standardů mikrofonu obrovský. Mezi nevýhody patří špatná linearita, špatná struktura, která způsobuje více rezonancí ve zvuku rozsah a vysoká hladina hluku, protože odpor granulí se mění i při nepřítomnosti zvuku. ZPĚT NAHORUPohyblivý železný mikrofon Pohyblivé železné mikrofony se také nazývají mikrofony s proměnnou reluktancí. Pohyblivý železný mikrofon využívá silný magnet. Magnetický obvod obsahuje kotvu z měkkého železa, která je zase spojena s membránou. Jak se kotva pohybuje, mění se magnetická reluktance obvodu a to zase mění celkový magnetický tok v obvodu. Magnetický obvod u tohoto typu mikrofonu činí nástroj těžší. ZPĚT NAHORU Mikrofon s pohyblivou cívkou nebo dynamický mikrofon Mikrofony s pohyblivou cívkou (dynamické) používají magnetický obvod s konstantním tokem. V tomto obvodu je elektrický výstup generován pohybem cívky drátu v obvodu, který je připojen k membráně. Celé toto uspořádání je ve formě kapsle, což z něj dělá tlakově ovládaný mikrofon spíše než ovládaný rychlostí. Cívka se pohybuje v reakci na pohyb membrány, když zvukové vlny narážejí na membránu. Aplikací Faradayova zákona elektromagnetické indukce se v cívce indukuje napětí v důsledku pohybu cívky v magnetickém poli. Maximální výkon nastane, když cívka dosáhne maximální rychlosti mezi vrcholy zvukové vlny, takže výstup je o 900 mimo fázi se zvukem. Vnitřní pohled na dynamický mikrofon je zobrazen níže. Rozsah pohybu cívky je velmi malý velikost cívky je malá. Linearita mikrofonů s pohyblivou cívkou je tedy vynikající. Vzhledem k nízké impedanci cívky je výstup značně nízký, a proto je vyžadováno zesílení signálu. Indukčnost cívky u mikrofonů s pohyblivou cívkou je menší, a proto jsou méně náchylné k brumu ze sítě. Konstrukce mikrofonu s pohyblivou cívkou připomíná obráceně reproduktor. ZPĚT NA ZAČÁTEK Páskový mikrofonPrincip činnosti páskového mikrofonu je odvozen od mikrofonu s pohyblivou cívkou a změnou je, že cívka byla zredukována na proužek vodivé pásky. Signál je odebírán z konců pásky. Je použito intenzivní magnetické pole, aby byl možný pohyb pásky přes maximální možný magnetický tok. To generuje výstup se svou špičkovou hodnotou 900 mimo fázi zvukové vlny. Vnitřní pohled na páskový mikrofon je zobrazen níže. Pásový mikrofon je mikrofonem ovládaným rychlostí. Páskové mikrofony se používají v situacích, kde je důležitá směrová odezva. Hlavní uplatnění tohoto typu mikrofonu je v hlasovém komentáři v hlučném prostředí. Linearita páskových mikrofonů je velmi dobrá a jejich konstrukce z nich nevyhnutelně dělá zařízení s nízkým výkonem. Pro zvýšení úrovně napětí a úrovně impedance jsou páskové mikrofony obvykle vybaveny transformátorem. Kvalitní páskové mikrofony jsou drahé položky. Směrové vlastnosti tohoto mikrofonu jsou vhodné pro stereofonní vysílání. ZPĚT NAHORU Piezoelektrický mikrofonVýhoda piezoelektrického mikrofonu oproti jiným typům mikrofonů spočívá v tom, že není omezen na použití ve vzduchu, ale lze jej spojit s pevnou látkou a také ponořit do nevodivé kapaliny . Piezoelektrické měniče lze použít při ultrazvukových frekvencích a některé se používají v oblasti vysokých MHz. Piezoelektrické měniče se skládají z krystalického materiálu. Když je krystal namáhán zvukovými vlnami, ionty krystalu jsou posunuty asymetrickým způsobem. Původně se Rochelle Salt Crystal používal jako krystalický materiál v piezoelektrických mikrofonech a tento krystal je spojen s membránou. Výstupní napětí a impedance jsou vysoké, ale linearita je špatná. Dnes se syntetické krystaly používají před přírodními krystaly. Titanát barnatý je syntetický krystal používaný pro frekvence až do stovek kHz. Obrázek piezoelektrického mikrofonu je uveden níže. ZPĚT NAHORU Kondenzátorový mikrofonKondenzátorový mikrofon se skládá ze dvou povrchů: jeden je vodivá membrána a druhý je zadní deska a elektrický náboj mezi dva povrchy jsou pevné. Když zvuková vlna narazí na membránu, vibrace způsobí změnu kapacity. Jakmile je náboj fixován, změna kapacity způsobí napěťovou vlnu. Výkon závisí na vzdálenosti mezi deskami. Výstup je větší pro danou amplitudu zvuku, když je vzdálenost mezi povrchy menší. Struktura kondenzátorového mikrofonu je znázorněna níže. Kondenzátorový mikrofon je tlakově ovládané zařízení. Pro zajištění pevného nabití je zapotřebí napájecí zdroj. Toto napětí se nazývá polarizační napětí. Kondenzátorové mikrofony poskytují linearitu provozu a také velmi dobré audio signály. Aby se zabránilo polarizačnímu napětí, je použit elektret. Elektret je izolační materiál s trvalým nábojem. Je to elektrostatický ekvivalent magnetu. U elektretových kondenzátorových mikrofonů je jedna z desek kondenzátoru deska z elektretu a druhá je membrána. Protože elektret poskytuje pevný náboj, není potřeba napájení. ZPĚT NAHORU Reproduktor (převodník výstupního zvuku) Použití mikrofonu je malé, pokud není k dispozici převodník pro opačný směr. Převodníky, jako jsou reproduktory, bzučáky a houkačky, jsou výstupní zvukové akční členy, které mohou produkovat zvuk ze vstupního elektrického signálu. Funkcí zvukového aktuátoru je převádět elektrické signály na zvukové vlny s blízkou podobností s původním vstupním signálem do mikrofonu. Sluchátka jsou jedním z jednodušších výstupních zvukových převodníků, které byly používány dlouho předtím než mikrofony. Sluchátka byla používána se strojem Morse Key v elektrických telegrafech. Po vývoji mikrofonů vede kombinace vstupních a výstupních zvukových měničů k řadě vynálezů včetně telefonu. Úkol sluchátek je jednoduchý a protože jsou umístěny v blízkosti ucha, jsou také velmi menší požadavky na energii, obecně v řádu několika miliwattů. Vzhledem k tomu, že požadovaný výkon je menší, používají sluchátka malou membránu. Reproduktor, na rozdíl od sluchátek, není přitlačen k uchu, ale zvukové vlny jsou vysílány do prostoru. Konstrukce, princip a požadavky na výkon reproduktoru jsou tedy trochu jiné. Reproduktory jsou k dispozici v různých velikostech, tvarech a frekvenčních rozsazích. Převodník reproduktorového systému se nazývá tlaková jednotka, protože převádí složité elektrické signály na tlak vzduchu. Aby toho bylo dosaženo, reproduktorová jednotka se skládá z motorové jednotky, která převádí vstupní elektrické vlny na vibrace, a membrány, která pohybuje dostatečným množstvím vzduchu, aby byl vibrační efekt slyšitelný. Pro každý typ mikrofonu existuje odpovídající reproduktor. Některé z běžných typů reproduktorů jsou: pohyblivé železo, pohyblivá cívka, piezoelektrické, izodynamické a elektrostatické. ZPĚT NAHORU Reproduktor s pohyblivou cívkou nebo dynamický reproduktor Princip pohyblivé cívky se používá u většiny reproduktorů a sluchátek. Reproduktory s pohyblivou cívkou se také nazývají dynamické reproduktory. Princip činnosti reproduktoru s pohyblivou cívkou je přesně opačný než u mikrofonu s pohyblivou cívkou. Skládá se z cívky z jemného drátu zvaného kmitací cívka, která je zavěšena ve velmi silném magnetickém poli. Tato cívka je připojena k membráně, jako je papír nebo mylarový kužel. Membrána je na svých okrajích zavěšena na kovovém rámu. Vnitřní struktura reproduktoru s pohyblivou cívkou je znázorněna níže. Při průchodu vstupního elektrického signálu cívkou vzniká elektromagnetické pole. Síla tohoto pole je dána proudem procházejícím cívkou. Nastavení hlasitosti ovladače zesilovače určuje proud protékající kmitací cívkou. Magnetické pole vytvářené permanentním magnetem je v protikladu s elektromagnetickou silou, která je vytvářena elektromagnetickým polem. To způsobí, že se cívka pohybuje jedním nebo druhým směrem, určeným interakcí mezi severním a jižním pólem. Membrána, která je připevněna k cívce, se pohybuje v tandemu s cívkou a to způsobuje rušení ve vzduchu kolem ní. Tyto poruchy vytvářejí zvuk. Hlasitost zvuku je určena rychlostí, kterou se kužel nebo membrána pohybuje. ZPĚT NAHORU Řízení reproduktoruRozsah frekvencí, které lidské ucho slyší, je mezi 20 Hz až 20 kHz. Moderní reproduktory, sluchátka, sluchátka a další audio převodníky jsou přizpůsobeny pro provoz v tomto frekvenčním rozsahu. U audio systémů typu High Fidelity (Hi – Fi) je však odezva zvuku rozdělena do menších dílčích frekvencí. To zlepšuje celkovou účinnost a kvalitu zvuku reproduktoru. Nízkofrekvenční jednotky se nazývají woofery a vysokofrekvenční jednotky se nazývají výškové reproduktory. Jednotky pro středopásmové frekvence se jednoduše označují jako jednotky středního rozsahu. Zobecněné frekvenční rozsahy a jejich terminologie jsou uvedeny níže. Sub – basový reproduktor — 10 Hz až 100 Hz Bass — 20 Hz až 3 kHzStřední – rozsah — 1 kHz až 10 kHz Tweeter — 3 kHz až 30 kHz V Hi-Fi systémech s více reproduktory jsou samostatné basové, středotónové a výškové reproduktory s aktivní nebo pasivní výhybkovou sítí pro přesné rozdělení a reprodukci zvukového signálu všemi dílčími reproduktory. Níže je znázorněn jednoduchý obvod pro řízení reproduktoru. Tranzistor je v konfiguraci emitorového sledovače. PWM signál z mikrokontroléru poskytuje střídavý signál do báze tranzistoru. Konfigurace emitorového sledovače dává střídavý signál do reproduktoru zesílením proudu. Dioda funguje jako filtr. Konstrukce s více reproduktory je znázorněna níže. Existují tři typy měničů: měnič pro basový reproduktor, měnič pro střední pásmo a měnič pro výškový reproduktor. Jednoduchý obvod audio zesilovače je zobrazen níže. Na základě použitého filtračního obvodu lze zesilovač použít k buzení basového nebo středotónového nebo výškového reproduktoru. Některé další typy výstupních měničů jsou uvedeny níže. ZPĚT NAHORUPiezoelektrické reproduktoryObecně, výškové reproduktory jsou vyráběny na piezoelektrickém principu. Membrány jsou vyrobeny z piezoelektrických plastových desek. Při přivedení napětí mezi čela membrány se membrána zmenšuje a roztahuje podle signálu. Vytvarováním membrány jako součásti povrchu koule lze smršťování a rozpínání převést na pohyb, který bude pohybovat vzduchem. ZPĚT NA ZAČÁTEK Elektrostatické reproduktoryElektrostatické reproduktory se skládají z vodivé membrány umístěné mezi dvěma elektricky vodivými deskami. Vodivé desky jsou nabity kladně a záporně. Když je připojen audio signál, membrána přepíná mezi kladným a záporným nábojem. Membrána je přitahována směrem k opačně nabité desce v závislosti na jejím náboji.

Zanechat vzkaz 

Seznam zpráv