Úvod do zvukových prevodníkov

V tomto návode sa dozvieme o zvukových prevodníkoch. Dva bežné zvukové prevodníky sú mikrofóny a reproduktory. Prehľad Úvod Čo je to zvuk? Čo sú to zvukové prevodníky?Mikrofón (vstupný prevodník zvuku)Uhlíkový mikrofónPohyblivý železný mikrofónPohyblivý cievkový mikrofón alebo dynamický mikrofónPáskový mikrofónPiezoelektrický mikrofón Reproduktor Kondenzátor Mikrofón Reproduktor (Výstupný zvukový prevodník)Dynamický reproduktor Pohyblivý reproduktor a ReproduktorPiezoelektrické reproduktoryElektrostatické reproduktoryÚvod Zvuk je zovšeobecnený pojem priradený akustickým vlnám, ktoré sú typom pozdĺžnych vĺn, ktoré sa šíria kompresiou a dekompresiou v adiabatickom procese. Frekvenčný rozsah akustických vĺn je medzi 1 Hz až desiatkami tisíc Hz. V tomto obrovskom rozsahu môže človek počuť od 20 Hz do 20 kHz. Zvukové alebo zvukové prevodníky sú dvoch typov: vstupné snímače alebo zvuk pre elektrické prevodníky a výstupné akčné členy alebo elektrické prevodníky zvuku. Príkladom vstupného snímača je mikrofón a výstupným aktorom je reproduktor. Zvukové prevodníky dokážu detekovať a prenášať zvukové vlny. Ak je frekvencia zvukových vĺn veľmi nízka, potom sa nazývajú infra – zvuk. A ak je frekvencia zvukových vĺn veľmi vysoká, potom sa nazývajú ultra – zvuk. SPÄŤ NAHORU Čo je zvuk? Zvuk a vibrácie sú vzájomne prepojené, keďže zvuk je spojený s mechanickými vibráciami. Mnohé zvuky sú spôsobené vibráciami pevných látok alebo plynov. Podľa ANSI je zvuk definovaný ako „kmitanie tlaku, napätia atď., ktoré sa šíri v médiu s vnútornými silami alebo superpozíciou takto šíreného kmitania“. Zvuková vlna je tvar vlny spôsobený vibráciou. Tento tvar vlny spôsobuje, že v akomkoľvek materiáli ovplyvnenom zvukovou vlnou sa vytvorí rovnaká vibrácia. Na prenos zvukových vĺn je potrebné médium, ktoré môže byť vibrované. Vibrujúci predmet alebo materiál stláča okolité molekuly vzduchu a riedi ich. Vo vákuu nedochádza k prenosu zvukových vĺn. Keď sa zvuk prenáša, má tri dôležité vlnové parametre: rýchlosť alebo rýchlosť, vlnovú dĺžku a frekvenciu. Tieto charakteristiky sú podobné charakteristikám elektrického tvaru vlny. Frekvencia a tvar vlny zvuku sú určené pôvodom zvuku alebo frekvenciou a tvarom vlny vibrácií, ktoré spôsobujú zvuk. Rýchlosť a vlnová dĺžka zvuku závisí od média, ktoré prenáša zvukové vlny. Vzťah medzi tromi parametrami, rýchlosťou, vlnovou dĺžkou a frekvenciou je uvedený nižšie.Frekvencia (f) = Rýchlosť (m/s) / Vlnová dĺžka (λ) Jednotkami frekvencie sú Hertz (Hz). Odkaz na zdroj obrázka: electronics-tutorials.ws /io/io46.gifRýchlosť zvuku v danom materiáli závisí od hustoty a pružnosti materiálu. Preto je rýchlosť zvuku vyššia v pevných látkach a nižšia vo vysokotlakových plynoch. Objektívne meranie zvukových vĺn využíva intenzitu prijímacej plochy meranú ako počet wattov zvukovej energie na meter štvorcový. Ucho má nelineárnu odozvu a citlivosť sa mení s frekvenciou zvuku. Frekvenčný rozsah, v ktorom môže ľudské ucho zaznamenať zvuk, je medzi 20 Hz až 20 kHz. Odozva ucha je maximálne v oblasti 2 kHz.SPÄŤ NAHORU Čo sú to zvukové prevodníky? Zvukový prevodník je zariadenie, ktoré dokáže premieňať zvukové signály na elektrické signály alebo elektrické signály na zvukové signály. V prvom prípade sa nazývajú vstupné zvukové prevodníky a príkladom je mikrofón. V druhom prípade sa nazývajú výstupné prevodníky zvuku a príkladom je reproduktor. Mikrofón (vstupný zvukový prevodník) Prevodník zvuku alebo zvuku na elektrickú energiu je mikrofón alebo sa jednoducho nazýva mikrofón. Mikrofón vytvára elektrické analógové signály, ktoré sú úmerné zvukovým vlnám pôsobiacim na jeho membránu. Mikrofóny sú klasifikované podľa typu elektrického prevodníka, ktorý používajú. Okrem meniča používa mikrofón akustické filtre a pasáže, ktorých tvar a rozmery modifikujú odozvu celého systému. Charakteristiky mikrofónu sú elektrické aj akustické. Citlivosť mikrofónu je vyjadrená ako mV elektrického výkonu na jednotku intenzity zvukovej vlny. Impedancia mikrofónu má veľký význam. Mikrofón s vysokou impedanciou má vysoký elektrický výstup, zatiaľ čo mikrofón s nízkou impedanciou je spojený s nízkym výstupom. Vďaka vysokej impedancii je mikrofón náchylný na brumenie. Dôležitým faktorom je aj smerovanie mikrofónu. Ak sa mikrofón používa na snímanie tlaku zvukových vĺn, potom je Omni – smerový, tj. zachytáva zvuk prichádzajúci z akéhokoľvek smeru. Mikrofón je smerový, ak reaguje na rýchlosť a smer zvukovej vlny. Typ zvukového prevodníka nemusí nevyhnutne určovať princíp činnosti ako tlak alebo rýchlosť, ale najdôležitejším faktorom je konštrukcia mikrofónu. bežné typy mikrofónov sú: uhlíkový mikrofón, pohyblivý železný mikrofón, pohyblivý cievkový mikrofón, páskový mikrofón, piezoelektrický mikrofón a elektretový kondenzátorový mikrofón.SPÄŤ NAHORUUhlíkový mikrofónUhlíkový mikrofón bol prvým typom mikrofónu, ktorý bol vyvinutý pre použitie v telefónoch. Teraz sú nahradené elektretovými kondenzátorovými mikrofónmi. Uhlíkový mikrofón používa granuly uhlíka držané medzi membránou a zadnou doskou. Keď sú granule stlačené, odpor medzi membránou a zadnou doskou značne klesá. Vibrácie membrány, ktoré sú výsledkom zvukovej vlny dopadajúcej na ňu, sa môžu premeniť na zmeny odporu granúl. Mikrofón vyžaduje externé napájanie, pretože negeneruje napätie. Hlavnou a jedinou výhodou uhlíkového mikrofónu je, že produkuje výstup, ktorý je podľa štandardov mikrofónu obrovský. Medzi nevýhody patrí slabá linearita, zlá štruktúra, ktorá spôsobuje viacnásobné rezonancie zvuku rozsah a vysoká hladina hluku, pretože odpor granúl sa mení aj pri absencii zvuku. SPÄŤ NAHORUPohyblivý železný mikrofónPohyblivé železné mikrofóny sa tiež nazývajú mikrofóny s premenlivou reluktanciou. Pohyblivý železný mikrofón využíva silný magnet. Magnetický obvod obsahuje kotvu z mäkkého železa, ktorá je zase spojená s membránou. Keď sa kotva pohybuje, mení sa magnetická reluktancia obvodu a to zase mení celkový magnetický tok v obvode. Magnetický obvod v tomto type mikrofónu robí nástroj ťažším. SPÄŤ NAHORU Mikrofón s pohyblivou cievkou alebo dynamický mikrofón Mikrofóny s pohyblivou cievkou (dynamické) používajú magnetický obvod s konštantným tokom. V tomto obvode je elektrický výstup generovaný pohybom cievky drôtu v obvode, ktorý je pripevnený k membráne. Celé toto usporiadanie je vo forme kapsuly, čo z neho robí mikrofón ovládaný tlakom, a nie ovládaný rýchlosťou. Cievka sa pohybuje v reakcii na pohyb membrány, keď zvukové vlny narážajú na membránu. Aplikáciou Faradayovho zákona elektromagnetickej indukcie sa v cievke indukuje napätie v dôsledku pohybu cievky v magnetickom poli. Maximálny výstup nastane, keď cievka dosiahne maximálnu rýchlosť medzi vrcholmi zvukovej vlny, takže výstup je o 900 mimo fázy so zvukom. Vnútorný pohľad na dynamický mikrofón je zobrazený nižšie. Rozsah pohybu cievky je veľmi malý veľkosť cievky je malá. Linearita mikrofónov s pohyblivou cievkou je preto vynikajúca. Kvôli nízkej impedancii cievky je výstup značne nízky, a preto je potrebné zosilnenie signálu. Indukčnosť cievky v mikrofónoch s pohyblivou cievkou je menšia, a preto sú menej náchylné na brumenie zo siete. Konštrukcia mikrofónu s pohyblivou cievkou pripomína reproduktor v opačnom smere.SPÄŤ NAHORU Pásový mikrofónPrincíp činnosti páskového mikrofónu je odvodený od mikrofónu s pohyblivou cievkou a zmenou je, že cievka bola zredukovaná na pás vodivej pásky. Signál je odoberaný z koncov pásky. Používa sa intenzívne magnetické pole, aby bol možný pohyb pásky cez maximálny možný magnetický tok. Toto generuje výstup so špičkovou hodnotou 900 mimo fázy zvukovej vlny. Vnútorný pohľad na páskový mikrofón je zobrazený nižšie. Pásový mikrofón je mikrofón s reguláciou rýchlosti. Páskové mikrofóny sa používajú v situáciách, kde je dôležitá smerová odozva. Hlavné uplatnenie tohto typu mikrofónu je v hlasovom komentovaní v hlučnom prostredí. Linearita páskových mikrofónov je veľmi dobrá a svojou konštrukciou z nich nevyhnutne robí zariadenie s nízkym výkonom. Na zvýšenie úrovne napätia a úrovne impedancie sú páskové mikrofóny zvyčajne vybavené transformátorom. Kvalitné páskové mikrofóny sú drahé položky. Smerové vlastnosti tohto mikrofónu sú vhodné pre stereo vysielanie.SPÄŤ NAHORU Piezoelektrický mikrofónVýhoda piezoelektrického mikrofónu oproti iným typom mikrofónov spočíva v tom, že nie je obmedzený na použitie vo vzduchu, ale môže byť spojený s pevnou látkou a tiež ponorený do nevodivej kvapaliny . Piezoelektrické meniče možno použiť pri ultrazvukových frekvenciách a niektoré sa používajú v oblasti vysokých MHz. Piezoelektrické meniče pozostávajú z kryštalického materiálu. Keď je kryštál namáhaný zvukovými vlnami, ióny kryštálu sa premiestňujú asymetricky. Pôvodne sa Rochelle Salt Crystal používal ako kryštalický materiál v piezoelektrických mikrofónoch a tento kryštál je spojený s membránou. Výstupné napätie a impedancia sú vysoké, ale linearita je nízka. Dnes sa namiesto prírodných kryštálov používajú syntetické kryštály. Titanát bárnatý je syntetický kryštál používaný pre frekvencie až do stoviek kHz. Obrázok piezoelektrického mikrofónu je uvedený nižšie.SPÄŤ NAHORU Kondenzátorový mikrofónKondenzátorový mikrofón sa skladá z dvoch povrchov: jeden je vodivá membrána a druhý je zadná doska a elektrický náboj medzi dva povrchy sú pevné. Keď zvuková vlna narazí na membránu, vibrácie spôsobia zmenu kapacity. Keď je náboj pevný, zmena kapacity spôsobí napäťovú vlnu. Výkon závisí od vzdialenosti medzi doskami. Výstup je väčší pre danú amplitúdu zvuku, keď je vzdialenosť medzi povrchmi menšia. Štruktúra kondenzátorového mikrofónu je znázornená nižšie. Kondenzátorový mikrofón je tlakovo ovládané zariadenie. Na zabezpečenie pevného nabitia je potrebný zdroj napätia. Toto napätie sa nazýva polarizačné napätie. Kondenzátorové mikrofóny poskytujú linearitu v prevádzke a tiež poskytujú veľmi dobré zvukové signály. Aby sa predišlo polarizačnému napätiu, používa sa elektret. Elektret je izolačný materiál s trvalým nábojom. Je to elektrostatický ekvivalent magnetu. V elektretových kondenzátorových mikrofónoch je jedna z dosiek kondenzátora doska z elektretu a druhá je membrána. Keďže elektret poskytuje pevné nabíjanie, nie je potrebné napájanie. SPÄŤ NA VRCHOL Reproduktor (výstupný zvukový prevodník) Použitie mikrofónu je malé, pokiaľ nie je k dispozícii prevodník pre opačný smer. Prevodníky, ako sú reproduktory, bzučiaky a klaksóny, sú výstupné zvukové akčné členy, ktoré môžu produkovať zvuk zo vstupného elektrického signálu. Funkciou zvukového aktuátora je konvertovať elektrické signály na zvukové vlny s blízkou podobnosťou pôvodnému vstupnému signálu do mikrofónu. Slúchadlá sú jedným z jednoduchších výstupných zvukových meničov, ktoré sa používali dávno predtým ako mikrofóny. Slúchadlá sa používali so strojom Morse Key v elektrických telegrafoch. Po vývoji mikrofónov vedie kombinácia vstupných a výstupných zvukových meničov k mnohým vynálezom vrátane telefónu. Úloha slúchadiel je jednoduchá a keďže sú umiestnené blízko ucha, sú aj požiadavky na energiu veľmi menšie, vo všeobecnosti rádovo niekoľko miliwattov. Keďže požadovaný výkon je menší, slúchadlá používajú malú membránu. Reproduktor na rozdiel od slúchadiel nie je pritlačený k uchu, ale zvukové vlny sú vysielané do priestoru. Preto sú konštrukcia, princíp a požiadavky na výkon reproduktora trochu iné. Reproduktory sú dostupné v rôznych veľkostiach, tvaroch a frekvenčných rozsahoch. Prevodník systému reproduktorov sa nazýva tlaková jednotka, pretože transformuje zložité elektrické signály na tlak vzduchu. Aby sa to dosiahlo, reproduktorová jednotka pozostáva z motorickej jednotky, ktorá premieňa vstupné elektrické vlny na vibrácie, a membrány, ktorá pohybuje dostatočným množstvom vzduchu, aby bol vibračný efekt počuteľný. Pre každý typ mikrofónu existuje zodpovedajúci reproduktor. Niektoré z bežných typov reproduktorov sú: pohyblivé železo, pohyblivá cievka, piezoelektrické, izodynamické a elektrostatické. SPÄŤ NAHORU Pohyblivý cievkový reproduktor alebo dynamický reproduktorPrincíp pohyblivej cievky sa používa vo väčšine reproduktorov a slúchadiel. Reproduktory s pohyblivou cievkou sa tiež nazývajú dynamické reproduktory. Princíp činnosti reproduktora s pohyblivou cievkou je presne opačný ako pri mikrofóne s pohyblivou cievkou. Pozostáva z cievky z jemného drôtu nazývaného kmitacia cievka, ktorá je zavesená vo veľmi silnom magnetickom poli. Táto cievka je pripevnená k membráne ako papier alebo mylarový kužeľ. Membrána je na svojich okrajoch zavesená na kovovom ráme. Vnútorná štruktúra reproduktora s pohyblivou cievkou je znázornená nižšie. Keď vstupný elektrický signál prechádza cievkou, vytvára sa elektromagnetické pole. Sila tohto poľa je určená prúdom pretekajúcim cez cievku. Nastavenie hlasitosti ovládača zosilňovača určuje prúd pretekajúci cez kmitaciu cievku. Magnetickému poľu produkovanému permanentným magnetom odporuje elektromagnetická sila, ktorá je produkovaná elektromagnetickým poľom. To spôsobí, že sa cievka pohybuje jedným alebo druhým smerom, určeným interakciou medzi severným a južným pólom. Membrána, ktorá je pripevnená k cievke, sa pohybuje v tandeme s cievkou a to spôsobuje rušenie vo vzduchu okolo nej. Tieto poruchy vytvárajú zvuk. Hlasitosť zvuku je určená rýchlosťou, ktorou sa kužeľ alebo membrána pohybuje. SPÄŤ NAHORU Riadenie reproduktora Rozsah frekvencií, ktoré ľudské ucho počuje, je medzi 20 Hz až 20 kHz. Moderné reproduktory, slúchadlá, slúchadlá a iné zvukové prevodníky sú prispôsobené na prevádzku v tomto frekvenčnom rozsahu. Avšak pre audio systémy typu High Fidelity (Hi – Fi) je odozva zvuku rozdelená na menšie subfrekvencie. To zlepšuje celkovú účinnosť a kvalitu zvuku reproduktora. Nízkofrekvenčné jednotky sa nazývajú basové reproduktory a vysokofrekvenčné jednotky sa nazývajú výškové reproduktory. Jednotky pre stredné frekvencie sa jednoducho označujú ako jednotky stredného rozsahu. Zovšeobecnené frekvenčné rozsahy a ich terminológia sú uvedené nižšie. Sub – basový reproduktor — 10 Hz až 100 Hz Bass — 20 Hz až 3 kHz Stred – rozsah — 1 kHz až 10 kHz Výškový reproduktor — 3 kHz až 30 kHz V Hi-Fi systémoch s viacerými reproduktormi sú samostatné basové, stredotónové a výškové reproduktory s aktívnou alebo pasívnou výhybkovou sieťou na presné rozdelenie a reprodukciu zvukového signálu všetkými vedľajšími reproduktormi. Nižšie je znázornený jednoduchý obvod na ovládanie reproduktora. Tranzistor je v konfigurácii vysielača. Signál PWM z mikrokontroléra poskytuje striedavý signál do bázy tranzistora. Konfigurácia vysielača vysielača dáva striedavý signál do reproduktora zosilnením prúdu. Dióda funguje ako filter. Konštrukcia viacerých reproduktorov je zobrazená nižšie. Existujú tri typy meničov: budič basového reproduktora, budič stredného rozsahu a budič výškového reproduktora. Jednoduchý obvod audio zosilňovača je zobrazený nižšie. Na základe použitého filtračného obvodu môže byť zosilňovač použitý na ovládanie basového reproduktora alebo stredotónového alebo výškového reproduktora. Niektoré z ďalších typov výstupných meničov sú uvedené nižšie.SPÄŤ NAHORUPiezoelektrické reproduktoryVšeobecne, výškové reproduktory sa vyrábajú na piezoelektrickom princípe. Membrány sú vyrobené z piezoelektrických plastových dosiek. Keď je medzi čelné plochy membrány privedené napätie, membrána sa zmenšuje a rozťahuje podľa signálu. Vytvarovaním membrány ako časti povrchu gule sa môže zmršťovanie a rozťahovanie premeniť na pohyb, ktorý bude pohybovať vzduchom. SPÄŤ NA NÁVRH Elektrostatické reproduktoryElektrostatické reproduktory pozostávajú z vodivej membrány umiestnenej medzi dvoma elektricky vodivými doskami. Vodivé dosky sú nabité kladne a záporne. Keď je pripojený audio signál, membrána sa prepína medzi kladným a záporným nábojom. Membrána sa ťahá smerom k opačne nabitej doske v závislosti od jej náboja.

Zanechajte správu 

zoznam správ