Elektroakustické a elektromechanické měniče

Elektroakustické a elektromechanické měniče

Elektroakustické a elektromechanické měniče Zařízení pro přeměnu energie elektromagnetického pole na energii pole akustického nebo naopak (reciprocita) vysílač u, i

elektromechanický měnič

F, v

mechanicko akustický měnič

přijímač elektroakustický měnič

p, w

Kaskádní rovnice elektromechanického měniče

F = f (u , i ) v = g (u , i ) Úplný diferenciál veličin

∂F ∂F dF = du + di ∂u ∂i ∂v ∂v dv = du + di ∂u ∂i

∂F ∂u ∂F ∂i ∂v ∂u ∂v ∂i

= a11 = a12 = a21 = a22

Měniče se takto linearizují (docela realisticky), inverzní matice popisuje opačnou přeměnu

po integraci veličin se získá dvoubranový popis pomocí rovnic, které je možno zapsat v maticovém tvaru

 F  u  v  = A i      při popisu měniče jako přijímače se použije inverzní matice:

 u −1 F i  = A v     

V případě popisu elektroakustických měničů jako celku se modeluje přeměna z napětí a proudu na akustický tlak a objemovou rychlost či naopak. Princip výše uvedený stejný, pouze konstanty se jinak nazvou

 p  u  w = α  i       u i  = α  

−1

 p  w  

Teď jde o to, najít prvky matic A nebo α na základě analýzy fyzikální podstaty elektroakustické nebo elektromechanické přeměny. Jsou použity základní rovnice z elektromagnetického pole. Princip popisu: silové účinky magnetického nebo elektrického pole v pracovní mezeře měniče se vyjádří pomocí obvodových veličin. Tyto mají vždy stejnosměrnou (polarizační) a střídavou složku (superponovanou, je vždy menší). Situace se linearizuje a z dvojice rovnic se odvodí náhradní obvodové schéma.

Měniče s magnetickým polem Elektromagnetický měnič

konstanta měniče:

nΦ 0 = ka d

u = jω L0i − k a v 1 F = kai − v jω c n

kde

L0 cn = 2 ka

je negativní poddajnost

Negativní poddajnost souvisí se stabilitou, musí být nějaká síla, která působí proti síle magnetického pole, aby nebyla kotva přitažena k magnetickému obvodu a zajistila se tak klidová poloha

použití prvku gyrátor s převodní maticí

 F 0  v  =  −1    ka

ka   0 

 u i   

gyrátor je prvek invertující charakter impedancí v elektroakustice – transformace i – F, u – v, L – c, C – m, R – 1/r podélné prvky mění na příčné, sériové spojení na paralelní

náhradní schéma elektromagnetického měniče

elektrická část

mechanická část

akustická část

Elektrodynamický měnič

síla působící na vodič v magnetickém poli

   dF = i.d xB kolmost vektorů (konstrukce) zaručuje maximum

F = Bi

Φ = B η

∂Φ ∂η = B = Bv = k a v ∂t ∂t

konstanta měniče ka =Bl , B je magnetická indukce v mezeře a l je délka vodiče cívky

Elektroakustické měniče

Zahrnuje se i popis přechodu z mechanické části systému na část akustickou – ideální transformátor V některých případech se mechanická část zanedbá a popisuje se přímo elektro – akustická přeměna.

Náhradní obvody elektroakustických měničů

s magnetickým polem

páskový mikrofon

(tonmeister.ca)

Elektrodynamický reproduktor

• komerčně nejpoužívanější typ reproduktoru • patentován v roce 1924 (ale 1877 už byl předchůdce) • uspořádání zůstává stále stejné • vylepšování parametrů použitím jiných materiálů, popř. tvaru membrány • pozice téměř neotřesitelná

Části elektrodynamického reproduktoru • Membrána • Kmitací cívka • Magnet a magnetický obvod • Středící zařízení • Závěs • Koš • Former (někdy nebývá)

Terminologie • Akustická osa – (většinou totožná s geometrickou osou) směr, ve kterém nabývá směrová charakteristika maxima • Ústí reproduktoru – rovina ohraničená obvodem membrány (konvexní membrány) • Referenční bod – průsečík akustické osy a ústí

Princip funkce • Na vodič (drát kmitací cívky) v magnetickém poli (vyvolaném magnetem a správně nasměrovaném pólovými nástavci), kterým protéká (signálový) proud působí síla F = i.(l x B) • Vzhledem k orientaci vektorů (F, B a l) je součin maximální, tedy F = B i l

Náhradní schéma elektrodynamického reproduktoru

u

p

Elektrická část schématu • Indukčnost kmitající cívky • Odpor vodiče kmitající cívky

Mechanická část schématu • • • • • • •

Hmotnost kmitací cívky Mechanické tření kmitací cívky Hmotnost membrány Poddajnost membrány Tlumení membrány Poddajnost závěsu a středícího zařízení Tlumení závěsu a středícího zařízení

Akustická část schématu

• Vyzařovací impedance • Akustická impedance případně akustické soustavy na zadní straně membrány (ozvučnice)

Transformace elektrické strany na mechanickou Ideální gyrátor F = (Bl) i

u = (Bl) v

Transformace mechanické strany na akustickou Ideální transformátor p = F/S

w = v.S

Vstupní elektrická impedance elektrodynamického reproduktoru

• rezonanční kmitočet • jmenovitá impedance (4, 6, 8, 16, 32… Ω)

Směrová charakteristika Závislost (hladiny) akustického tlaku na úhlu mezi akustickou osou a spojnicí bodu měření a referenčního bodu

na nízkých kmitočtech se blíží ke kulové charakteristice, pak směrování

Konstrukce elektrodynamického reproduktoru • Kmitající cívka – Delší než vzduchová mezera

– Kratší než vzduchová mezera

Pro zajištění linearity

Materiály na výrobu membrány • Papír • Umělá hmota – Kevlar (Du Pont)

• Kov každý má výhody – nevýhody, použití je vždy kompromis liší se hlavně hmotností a tuhostí

Tvar membrány • Kónický • Parabolický (rotační) • Exponenciální (rotační)

Vliv na vyzařovací charakteristiku, míru turbulencí

Uspořádání magnetického obvodu • Prstencový magnet • Válcový magnet

Pólové nástavce musí vždy zaručit kolmost pole, výchylky a proudovodiče pro maximální účinnost systému

Hodnoty indukce v mezeře dříve – zlomky Tesla dnes – bežně jednotky Tesla možnost 10 – 15 T

Koš reproduktoru • Otevřený (s otvory) • Uzavírající membránu zezadu

Rozdělení reproduktorů podle kmitočtového pásma

• • • • •

hlubokotónové (20 – 1000 Hz) subwoofery (20 – 100 Hz) středotónové (200 – 5000 Hz) vysokotónové (1000 – 20000 Hz) širokopásmové (50 – 20000 Hz)

Proč se dělají reproduktory pro různá kmitočtová pásma?

 kmitočtová závislost citlivosti na parametrech  parametry závislé na konstrukci  optimalizace

Nízkotónový reproduktor extrémně až – sub-woofer velmi poddajný závěs, aby membrána mohla vykonávat velké pístové výchylky

Středotónový reproduktor středotónové reproduktory (300-5000 Hz) (squawker). Membrána buď kulový vrchlík (závěs a kmitací cívka na jeho obvodu) nebo krátký, velmi rozevřený kužel (kmitací cívka na menším průměru, závěs na větším průměru)

Vysokotónový reproduktor membrána a kmitací cívka jsou velmi lehké aby se umožnil rychlý pohyb závěs a středící zařízení jsou tuhé, aby se potlačily nízké kmitočty sférický tweeter (z potažené textílie, tenkého kovu…) páskový tweeter (tenká hliníková folie v mag. poli) též jiné principy – piezo, elektrostatický,.. často s vlnovodem (impedanční přizpůsobení)

Výroba reproduktorů soustředěna do několika málo světových výroben, které zásobují všechny firmy není plně automatizovaná, velký podíl ruční práce

Ozvučnice hlavní účel: zabránit akustickému zkratu (nf) dále – vylepšení citlivosti, její kmitočtové „tvarování“ ideální ozvučnice – nekonečná rovinná

Uzavřená ozvučnice modeluje se (na nízkých kmitočtech!!!) pomocí akustické poddajnosti, případně akustického odpor, pokud je v objemu nějaký ztrátový materiál přidáním poddajnosti (objemu) do systému se posune rezonanční kmitočet soustavy

Bassreflexová ozvučnice využití nf energie vyzařované do ozvučnice naladění bassreflexu hmotností a poddajností rozšíření kmitočtového pásma směrem k nižším kmitočtům strmější pád citlivosti k na nízkých kmitočtech

Pasivní zářič princip bassreflexu, hmotnost a odpor vzduchu v trubici jsou nahrazeny hmotností a odporem membrány konstrukce pasivního zářiče je stejná jako reproduktoru, jen chybí kmitací cívka a magnet. Do středu membrány se přidává hmotnost, kterou se systém ladí.

tlakový reproduktor – transformace rychlosti

Reproduktorové výhybky • Reproduktory jsou optimalizovány na kmitočtová pásma • Pro obsažení celého akustického pásma potřebujeme dodat do reproduktorů kmitočtová pásma, na která jsou konstruovány • Reproduktorové výhybky – elektrické filtry, většinou pasivní

Měniče s elektrickým polem

ε 0S C0 = d

U 0 C 0U 0 ε 0S 2 = = kb d d

konstanta měniče

Náhradní schéma elektrostatického měniče (jednočinného)

elektrická část

mechanická část

akustická část

při použití měniče jako vysílač se zatíží akustická brána vyzařovací impedancí, v případě použití jako přijímače se měnič zatíží impedancí zesilovače

C

polarizační střídavé

kapacita měniče Kondenzátor C mezi měničem (proměnná kapacita) a výstupními svorkami zajišťuje, že se polarizační napětí nedostane do zesilovače - R=0, na pevných elektrodách je stále polarizační napětí, i když se mění kapacita - R je velké oproti 1/ωC0, náboj je stálý (napětí se nestačí vyrovnat)

Elektrostatický reproduktor

uspořádání elektrostatických sluchátek

Elektrostatický reproduktor

Dvojčinný elektrostatický reproduktor s konstantním nábojem

celkový rozdíl sil působících na membránu v elektrostatickém reproduktoru je

p1 − p 2 = k β u

což NEZÁVISÍ na výchylce

elektrostatický měřící mikrofon – nejrozšířenější princip, vynikající vlastnosti

University of Warwick

Piezoelektrické měniče využívají piezoelektrického jevu – indukce elektrického náboje při stlačení materiálu či změna rozměrů po přiložení napětí (způsobeno prostorovou nehomogenitou náboje v látce) 1880, Pierre a Jacques Curie princip měniče s elektrickým polem, dielektrikem však není vzduch množství módů – orientace pole a výchylek (tloušťkové a střižné)

Piezoelektrické měniče jsou - jednoduché - levné - přesnost postačí pro řadu běžných aplikací - variabilní

Stavové rovnice piezoelektrických látek d, g, e, h – piezoelektričtí činitelé T – mechanické napětí S – deformace E – intenzita elektrického pole D – elektrická indukce ε − permitivita β− impermitivita c – moduly tuhosti s – moduly poddajnosti ….tenzory !

S = s E .T + t d .E D = d .T + ε T E S = s D .T + t g .D E = − g .T + β .D T = c E .S − t e.E D = e.S + ε S E T = c D .S − t h.D E = − h.S + β S .D

Piezoelektrické látky krystalické:

oxid křemičitý, trioxid lithno-niobičitý, trioxid lithno-tantaličitý, sulfid kademnatý

keramika:

tuhé roztoky PbZrO3 a PbTiO3 (PZT-4, PZT-5)

polymery:

PVC, PVF, PVF2

Miniaturní piezoelektrické měniče

Piezoplastické měniče fólie s piezoelektrickými vlastnostmi nutno ohnout, aby se předávaly kmity plynnému prostředí