Радиоэлектроника-с компьютером и паяльником - Генрих Кардашев

Казалось бы, что теперь-то все уже давно придумано: ведь к началу прошлого века патентов в этой сфере было под 10 тысяч, да еще за 100 лет сколько добавилось! Ан, нет. Вот недавнее сообщение: «44-летний врач Еситака Накадзима изобрел микрофон, который улавливает звук по натяжению и движению мускулов лица, а не по вибрации голосовых связок. Микрофон имеет 1 см в диаметре и 0,5 см в толщину и обладает настолько высокой чувствительностью, что с его помощью тихую и невнятную речь можно хорошо расслышать, даже находясь в комнате, в которой стереофоническая аппаратура включена на очень большой уровень громкости». Подобные устройства в принципе известны и называются ларингофонами (от «ларинго» — гортань). Как видим, здесь «микрофон» практически выродился: он воспринимает сигналы не из воздуха, а в процессе их формирования в мышцах лица или шеи, и затем обрабатывает их в компьютере специальной программой (в ней, по-видимому, заключена новизна изобретения).

Возможно, следующий изобретатель добудет сигналы прямо из мозга или нервных каналов, управляющих работой голосового тракта говорящего человека, но это уж точно будет не «микрофон», а, скорее, своеобразный «мозгофон» или «нервофон». Несомненно, одно: нет предела познанию и процесс творчества бесконечен, поэтому открыто поле деятельности и для наших читателей.

К техническим параметрам микрофонов относят: чувствительность (отношение напряжения на выходе микрофона к звуковому давлению на нем) и динамический диапазон; номинальный диапазон частот, в котором чувствительность соответствует номинальному значению; частотная характеристика и ее неравномерность; диаграмма направленности; модуль полного сопротивления и номинальное сопротивление нагрузки. В зависимости от значений, принимаемых этими параметрами, отечественные микрофоны относят к высшему (нулевому) классу и. соответственно, от первого до третьего. В зарубежной аппаратуре принято выделять HiFi (High Fidelity — высокое качество) устройства, примерно соответствующие отечественному высшему классу.

Излучатели звука и ультразвука

Если микрофоны выполняют функции, аналогичные уху человека, то излучатели звука подобны его голосовому аппарату. Поскольку возможности человеческого голоса ограничены, то издавна старались его усилить, например, сконцентрировать рупорами.

Развитие электро- и радиосвязи, а также собственно звуковоспроизведения привело к созданию многих оригинальных устройств.

В электроакустических преобразователях энергия электрических колебаний превращается в энергию излучаемого звука. Типичными излучателями являются громкоговорители и телефоны (здесь под термином «телефон» подразумевается именно излучатель звука, а не телефонный аппарат).

По способу преобразования колебаний громкоговорители и телефоны подразделяются на электродинамические катушечные (подавляющее число типов громкоговорителей), электромагнитные (основное число телефонов), электростатические, пьезоэлектрические и др.; по виду излучения — на громкоговорители непосредственного излучения, диффузорные и рупорные; по воспроизводимому диапазону — на широкополосные, низко-, средне- и высокочастотные; по потребляемой электрической мощности — на мощные и маломощные.

К техническим характеристикам громкоговорителей и телефонов относятся следующие понятия: номинальная мощность; частотная характеристика по звуковому давлению и ее неравномерность; среднее стандартное звуковое давление (отдача); входное сопротивление; характеристика направленности и др.

Из всех известных видов акустических преобразователей массовое применение в любительской практике нашли электродинамические громкоговорители, в просторечии называемые «динамиками», электродинамические головки прямого излучения и пьезокерамические СЧ и ВЧ излучатели.

Электродинамический громкоговоритель был изобретен и запатентован американцами Райсом и Келлогом в 1925 г. За прошедшее время наиболее заметные изменения в его конструкции связаны с появлением новых материалов для изготовления диффузоров и магнитных систем.

В электродинамическом громкоговорителе (рис. 18) для преобразования электрических колебаний звуковых частот в механические используют взаимодействие поля постоянного магнита с током в подвижной катушке, подключенной к источнику электрических колебаний.

Рис. 18. Громкоговорители:

а — внешний вид; б — вид в разрезе (1 — диффузородержатель; 2 — подвес; 3 — диффузор; 4 — пылезащитный колпачок; 5 — звуковая катушка: 6 — гибкие выводы; 7 — магнит; 8 — центрирующая шайба); в — УГО; г — компонент EWB

Катушка, располагаемая в кольцевом зазоре магнита, и жестко связанная с ней диафрагма вместе с магнитной системой образуют так называемую головку громкоговорителя. Взаимодействие тока с магнитным полем вызывает механические колебания диафрагмы, сопровождающиеся излучением звуковых волн либо непосредственно (громкоговорители прямого излучения), либо через рупор (в рупорных громкоговорителях). Качество звучания существенно зависит от типа корпуса, в который помещают громкоговоритель.

Характерные значения сопротивления звуковой катушки электродинамических громкоговорителей составляют 4 и 8 Ом. Типичные значения полной электрической мощности лежат в пределах 0,05…100 ВА. Узкополосные громкоговорители обеспечивают воспроизведение в сравнительно узком интервале частот: сабвуфер (сверхнизкочастотный громкоговоритель) — 20…120 Гц; вуфер (низкочастотный громкоговоритель) — 150…250 Гц; мидрендж (среднечастотный громкоговоритель) — 250…2000 Гц; твитер (высокочастотный громкоговоритель) — 3,5 кГц и выше. Широкополосные громкоговорители обеспечивают работу в большом интервале частот, например 40…15 000 Гц.

В пьезокерамических источниках звука используется «обратный пьезоэффект» — механическая деформация пьезоэлектриков (кварц, сегнетова соль, пьезокерамика) в электрическом поле. Очевидно, первой технической конструкцией подобного излучателя следует считать кварцевый излучатель Шиловского-Ланжевена, изобретенный 1916 г. и использованный в гидролокации.

Современные пьезокерамические излучатели звука выполняют двух- и трехэлектродными. В двухэлектродных излучателях пьезокварцевая пластинка, имеющая металлизированное покрытие с двух сторон, одной из них прикрепляется к металлической диафрагме.

Переменное напряжение, подводимое к диафрагме и другой стороне токопроводящего покрытия на пластинке, вызывает переменные деформации системы, приводящие к излучению звука в окружающую среду. Трехэлектродные устройства имеют дополнительный электрод типа язычка, доходящего до центра пластинки. Сигнал, снимаемый с этого электрода, находится в противофазе с основным возбуждающим сигналом, подаваемым на основные электроды и используется для обратной связи в системе управления. Подобные устройства используют как высокочастотные громкоговорители и излучатели ультразвука (рис. 19).

Рис. 19. Пьезоизлучатель МастерКИТ AK076:

а — внешний вид; б — модельный пьезокварц в EWB

В конце прошлого века британское министерство обороны объявило о разработках результатов исследований звукоизоляции в кабинах военных самолетов активными шумоподавителями в виде плоского панельного громкоговорителя системы NXT(New Transducer Technology — новые технологии преобразования). NXT — это технология плоских панелей, при которой ее возбуждение осуществляется из одной точки с помощью электродинамических, пьезоэлектрических или других возбудителей. Материалом панели могут служить картон, пластмасса, композиты из углеродного волокна и т. д. Основная идея заключается в получении максимально случайного характера движения любых двух соседних точек поверхности панели относительно друг друга.

В отличие от обычных многополосных громкоговорителей, для воспроизведения всего звукового диапазона используется одна панель NXT, возбуждаемая при помощи одного-единственного преобразователя. При площади 0,6 кв. м нижняя граничная частота составляет 100 Гц, а верхняя — 18 кГц, отклонения частотной характеристики при этом сравнимы с обычными громкоговорителями.

При увеличении площади до 1,5 м2 низкочастотная граница уменьшается до 60 Гц. Панели NXT могут работать при размерах от 25 см2 до 100 м2. Самые маленькие могут быть использованы в системах мультимедиа совместно с ноутбуком (в том числе в сопряжении с «антибликовым» экраном), а самые большие — в кинотеатрах, служа одновременно экраном. В автомобильной акустике подобные устройства могут быть выполнены в виде полки под задним стеклом или фрагмента дверной обшивки, а в помещениях — имитировать его архитектурные фрагменты. При воспроизведении Hi-Fi к относительным недостаткам NXT можно отнести некоторое ограничение полосы низких частот, а также утрату точной локализации.