Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
§ 101. Преобразование звуковых колебаний в электрические
и электрических в звуковые. Электрозапись и воспроизведение звука
Приборы, предназначенные для преобразования звуковых колеба ний в электрические, называют микрофонами. С электроакустиче ской точки зрения работа микрофона характеризуется коэффициен том преобразования, который представляет собой отношение разви ваемых микрофоном колебаний напряжения к избыточному звуковому давлению в доходящей до микрофона звуковой волне:
kM=V/p.
Чтобы микрофон не вносил в передачу искажений, его коэффи циент преобразования должен оставаться постоянным в широком диапазоне звуковых частот (практически в пределах от 50 до 10000 герц) и, кроме того, коэффициент преобразования должен быть одинаковым для всех амплитуд звука. Важна также абсолютная величина этого коэффициента: очевидно, что чем эта величина больше, тем микро фон чувствительнее.
Широкое практическое приме нение имеют микрофоны трёх ос новных типов:
Типичным представителем угольных микрофонов является обычный телефонный микрофон (рис. 515), в котором приёмным органом является угольная мембрана, зажатая по краям в капсюле.
Рис. 515. Схема устройства телефонного микрофона.
Против мембраны (позади неё) расположена угольная колодка, а промежуток между мембраной и колодкой заполнен угольным порошком. Микро фон включается в цепь источника тока (местного или центрального), причём колебания мембраны в звуковом поле подвергают порошок периодически меняющемуся давлению; вследствие этого меняются сопротивление микрофона и величина протекающего через микрофон тока. Для высококачественной передачи обычный телефонный микрофон непригоден: во-первых, резонанс ные свойства мембраны делают частот ную характеристику такого микрофона очень неровной (рис. 516), вследствие чего микрофон искажает тембр звуков; во-вто рых, такой микрофон вносит довольно значительные так называемые нели нейные искажения, заключающиеся в возникновении новых — «комбинацион ных колебаний», что делает звук хрип лым и (при сильных искажениях) дребез жащим.
В радиопередаче применяют гораздо более совершенный микрофон Рейсса, в котором мембрана отсутствует и зву ковые волны непосредственно действуют на угольный порошок, защищённый от высыпания лишь тонкой резиновой плёнкой. Частотная характеристика микрофона Рейсса изображена на рис. 516 пунктирной кривой1).
Рис. 516. Изменение с ча стотой коэффициента пре образования телефонного микрофона (сплошная кри вая) и микрофона Рейсса (пунктирная кривая).
Конденсаторный микрофон представляет собой тонкую дюралюминовую мембрану, туго натянутую против металлической пластинки.
Мембрана и пластинка образуют воз душный конденсатор, ёмкость которого меняется при колебаниях мембраны в звуковом поле. Как видно из схемы включения (рис. 517), в микрофонной цепи течёт при этом переменный (за рядный и разрядный) ток, форма ко торого соответствует кривой колебаний давления в звуковой волне.
Рис. 517. Схема включения конденсаторного микрофона.
Переменное напряжение на зажимах высокоомного сопротивления, последовательно включённого с батареей и микрофоном, подаётся для усиления на сетку первой лампы усилителя, первые каскады которого мон тируются вместе с микрофоном. Влияние резонанса мембраны устра няется большим натяжением её, благодаря которому частота её собственных колебаний доводится до значения, превышающего 10000 герц, т. е. выводится за пределы рабочего диапазона частот.
Частотная характеристика подобного микрофона представлена на рис. 518.
Рис. 518. Коэффициент преобразо вания конденсаторного микрофона как функция частоты.
Электродинамические микрофоны основаны, как уже сказано, на индуцировании электродвижущей силы в проводнике, перемещающемся в магнитном поле. Движу щимся проводником в микрофонах электродинамического типа является или тонкая рифлёная ленточка (лен точный микрофон), или цилиндри ческая катушка, жёстко скреплён ная с подвижной мембраной.
Конденсаторные и электродина мические микрофоны являются в на стоящее время наиболее совершен ными и широко применяются в радиотехнике, в технике звукового кино, в лабораторных исследованиях и т. д.
Приборы, преобразующие электрические колебания в звуковые, носят название репродукторов, или громкоговорителей. Во всех этих приборах имеется звукоизлучающая поверхность, приводимая в колебание электрическим путём. В зависимости от природы силы, заставляющей излучающую поверхность колебаться, различают электро динамические, электромагнитные и электростатические громкогово рители. В зависимости от способа звукоотдачи громкоговорители под разделяют на диффузорные, в которых излучатель (диффузор) отдаёт звуковую энергию непосредственно в открытое пространство, и рупор ные, в которых излучение звуковых волн происходит через посредство рупора, обычно экспоненциального.
С точки зрения отсутствия искажений к громкоговорителю должны быть предъявлены следующие требования: 1) линейная зависимость между силой, действующей на излучающую поверхность, и подво димым к громкоговорителю током или напряжением; 2) ровность частотной характеристики, т. е. независимость отдачи громкогово рителя от частоты воспроизводимых колебаний в достаточно широком диапазоне звуковых частот.
Из диффузорных громкоговорителей наибольшее распространение имеют в настоящее время электродинамические громкоговорители («динамики»). Устройство их таково (рис. 519): с излучающей по верхностью жёстко связывают проводник (чаще всего в форме многовитковой «звуковой» катушки), помещённый в поле мощного электромагнита; при пропускании через «звуковую» катушку пере менного тока I звуковой частоты на «звуковую» катушку действует периодическая сила, пропорциональная току:
FBlI
Рис. 519. Схема устрой ства громкоговорителя электродинамического типа.
(где В — магнитная индукция, l — длина проводника). Под действием этой силы катушка и связанная с нею излучающая поверхность (диффузор) совершают вынужденные колебания с частотой пропускаемого тока.
Применение сплавов с большой остаточ ной индукцией (§ 63) позволило создать вы сококачественные динамики с постоянными магнитами, не требующими тока на подмагничивание.
Звуковая катушка динамика имеет актив ное сопротивление, обычно в несколько омов, и индуктивное сопротивление для токов зву ковой частоты, порядка десятков и сотен омов. Колебания звуковой частоты подводят к звуковой катушке динамика через «выход ной» трансформатор. Первичная обмотка выходного трансформатора, через которую проходит анодный ток выходной лампы уси лителя (рис. 506), состоит из нескольких тысяч витков (n1 витков); вторичная обмотка, замыкающаяся через звуковую катушку динамика, имеет в несколько раз меньшее число витков (n2 витков). Поэтому выходной трансформатор в — раз понижает колебания напряжения и во столько же раз увели чивает колебания величины тока. Мощность, потребляемая звуковой катушкой динамика, пропорциональна произведению квадрата тока через неё на её сопротивление Rзв току звуковой частоты. Эта мощ ность I22Rзв берётся из первичной цепи трансформатора. Стало быть, когда вторичная обмотка выходного трансформатора подключена к дина мику, то первичная обмотка трансформатора создаёт для выходной лампы нагрузку Z, которая определяется указанным равенством мощ ностей (мощности, потребляемой динамиком, и мощности, отдаваемой лампой):
I21Z=I22Rзв,
т. е. Z = (n1/n2)2Rзв. (20)
Обычно при расчёте выходного трансформатора нагрузку Z выби рают так, чтобы она примерно в два раза превышала внутреннее сопротивление выходного триода (для выходных пентодов нагрузку Z берут равной от 1/i0 до 1/5 внутреннего сопротивления пентода).
Электромагнитный громкоговоритель представляет собой, как это схематически показано на рис. 520, постоянный магнит, притя гивающий к себе связанный с излучающей системой якорь; при про пускании через катушку громкоговорителя тока звуковой частоты создаваемый током магнитный поток либо складывается с потоком постоянного магнита, либо вычитается из него (в зависимости от направления тока), причём действующая на якорь сила соответственно увеличивается или уменьшается, заставляя якорь, а значит, и связанный с ним излучатель совершать колебания.
Рис. 520. Схема устройства гром коговорителя электромагнитного типа.
Так как при приближении якоря к магниту действующая на него сила возрастает, то во избежание «прилипания» якоря к полюсу при ходится вводить большую возвра щающую силу, например выполняя якорь в виде заделанной одним кон цом жёсткой пластинки. (Собствен ная частота такого якоря попадает в рабочий диапазон звуковых частот и обусловливает возникновение иска жений— громкоговоритель передаёт резонансные частоты с преувеличен но большой амплитудой.)
По тому же принципу устрое ны электромагнитные телефоны: изменение тока в катушках телефо на, насаженных на полюсные наконечники, вызывает колебания жестяной мембраны. Телефон позволяет регистрировать колебания тока (микроамперы) и колебания напряжения, измеряемые милливольтами, но для нормальной громкости требуются колебания напряжения порядка вольта. Сопротивление обычных теле фонов составляет несколько сотен омов, а телефонов, изготовляемых для радиоприёма,—несколько тысяч омов.
Существуют также пьезоэлектрические телефоны; в них движение мембраны вызывается вынужденными механическими колебаниями пьезокристалла (сегнетовой соли), к электродным поверхностям пьезокристалла подводятся колебания напряжения звуковой частоты.
В конденсаторных громкоговорителях излучающая поверхность выполнена в виде мембраны, являющейся одной из пластин воздуш ного конденсатора; на пластины конденсатора подаётся переменное напряжение звуковой частоты и, кроме того, для уменьшения нели нейных искажений подаётся ещё и большое постоянное напряжение. Чтобы передвинуть резонанс мембраны в сторону надзвуковых частот, мембрану устраивают туго натянутой, подобно тому как это делается в конденсаторных микрофонах.
Для разнообразных технических целей и для лабораторных иссле дований часто требуются мощные источники звуковых и ультразву ковых колебаний той или иной частоты. В этих случаях особенно удобными, а иногда и единственно пригодными являются ламповые генераторы, звуковых колебаний. Последним, выходным звеном такого генератора является обычно динамик или (при генерировании ультра звуков) резонаторное устройство, заменяющее динамик (пьезокварцевая пластина и т. п.). Этому звену предшествует обычный лам повый усилитель электрических колебаний звуковой частоты. Для генерации колебаний звуковой частоты можно использовать обычный ламповый генератор с колебательными контурами (LC-генератор); но для самовозбуждения такого генератора на звуковой частоте само индукция и ёмкость колебательного контура должны быть большими, а это затрудняет настройку генератора на нужную частоту.
Обычно для возбуждения электрических колебаний звуковой частоты применяют гетеродинные генераторы и RС-генераторы. Гетеродинный генератор колебаний звуковой частоты состоит из двух гетеро динов (§ 100) и смесителя созданных ими колебаний. Один из этих гетеродинов имеет неизменяемые параметры колебательного контура и генерирует колебания высокой и постоянной частоты 1 (обычно около 200 кгц). Второй гетеродин посредством конденсатора пере менной ёмкости настраивают так, чтобы он генерировал колебания такой частоты 2 (обычно в интервале 180—200 кгц), которая отли чается от частоты колебаний, создаваемых первым гетеродином, на частоту нужных звуковых колебаний. Тогда получаемые в смесителе колебания промежуточной частоты 1-2 и будут колебаниями зву ковой частоты.
Схема RC-генератора колебаний звуковой частоты показана на рис. 521.
Рис. 521. Схема RС-генератора колебаний звуковой частоты.
Обратная связь анодной и сеточной цепи здесь реализуется тремя одинаковыми конденсаторами (ёмкостью каждый порядка сотен сантиметров) и тремя сопротивлениями, из которых одно делают переменным, чтобы регулировать частоту возбуждаемых колебаний R=R1=1/2R0
порядка сотен тысяч омов). Анодное сопротивление должно быть небольшим, а катодное, напротив, весьма значительным. При исполь зовании триода (типа 6С5) Ra=1000 омов и Rk~=0,5 мгом (Ck1 мкф и переходный конденсатор C1104 см).
Взаимопревращаемость электрических и акустических колебаний позволяет осуществлять весьма точную запись звуков и воспроизве дение записанных звуков.
Имеется ряд способов, с помощью которых звук, воспринятый микрофоном и преобразованный им в электрические колебания, может быть записан и затем воспроизведён. Все эти способы могут быть сведены в три группы, которые различаются выбором носителя зву ковой записи — фонограммы:
1) механическая запись звука, гравируемая на вращающемся воско вом диске с помощью колеблющегося со звуковой частотой резца;
2) магнитная запись звука, получаемая на ферромагнитной прово локе или ленте, протягиваемой в переменном магнитном поле;
3) фотографическая запись звука, получаемая в результате воздей ствия на светочувствительный слой киноплёнки света, проходящего предварительно через специальное «управляющее» устройство, назы ваемое в общем виде модулятором.
Запись звука на восковом диске или валике является старейшим способом звуковой записи (этот способ записи звука впервые был применён Эдисоном в 1877 г.). Первоначально гравирующий фоно грамму резец скреплялся с приёмной мембраной; такое непосредственное использование энергии звуковых волн в настоящее время уже не применяется, так как мощность, отдаваемая мембране звуковым полем, ничтожна. После изобретения электронной лампы быстрое раз витие усилительной техники дало возможность перейти к гораздо более совершенной электрозаписи. Функции звукоприёмного устройства перешли к высококачественному микрофону. Работающий от микро фонного усилителя звукозаписывающий аппарат—рекордер — пред ставляет собой магнитную систему, якорь которой жёстко скреплён с резцом. Колебания якоря и резца вынуждаются действием перемен ного магнитного потока. Фабрики граммофонных пластинок снимают матрицы с записи, произведённой на восковом диске, и делают оттиски этой записи на мастике граммофонных пластинок.
Воспроизведение записи на пластинках может производиться с по мощью обычного патефона, устройство которого общеизвестно. Более совершенное воспроизведение и наряду с этим гораздо большая аку стическая мощность могут быть получены с помощью электрического звуковоспроизводящего устройства. Начальным звеном процесса воспроизведения является так называемый адаптер: игла, скользящая по борозде фонограммы, жёстко связана с якорем магнитной системы; колебания якоря индуцируют в неподвижной катушке электродвижущую силу звуковой частоты. Конечным звеном служит громкоговоритель, работающий от усилителя, на входе которого включён адаптер.
Ещё лучшее воспроизведение звука дают пьезоэлектрические адаптеры. В них колебания патефонной иглы передаются пьезо электрической пластинке и вызывают вследствие пьезоэлектрического эффекта (§ 25) появление зарядов на гранях этой пластинки, служащих электродами; электроды пластинки замкнуты на большое сопротивление, падение напряжения на части этого сопротивления подаётся на уси литель.
Магнитная запись звука основана на чрезвычайно простом прин ципе: если в переменном магнитном поле, которое создано токами звуковой частоты, протягивать с постоянной скоростью стальную про волоку или ленту, то она будет намагничиваться; при этом остаточное намагничение будет меняться от участка к участку, и таким образом звук будет записан на ленте в виде магнитной фонограммы.
Магнитная запись воспроизводится путём протягивания ленты с запи санным на ней звуком возле неподвижной катушки, в которой при этом индуцируется электродвижущая сила звуковой частоты. Конструкция звуковоспроизводящего аппарата принципиально не отличается от кон струкции аппарата для записи.
Фотографическая запись звука, применяемая в звуковом кино, разработана в настоящее время в двух модификациях: в одной из них фонограмма получается в результате периодического изменения осве щения, получаемого светочувствительным слоем движущейся кино плёнки от падающего на неё светового луча; в другой — в результате периодического изменения ширины участка слоя, подвергаемого дей ствию постоянного освещения. При записи по первому способу (способ переменной плотности) фонограмма представляет собой узкую полоску, фотографическая плотность которой меняется от участка к участку; при записи по второму способу (способ переменной ширины) фонограмма делится в продольном направлении на освещённую и не освещённую части, граница между которыми представляет собой кри вую записанных звуковых колебаний.
Для звукового кино первый промышленно пригодный способ записи звука был разработан в 1922 г. По этому способу запись звука
. производится следующим образом. Током звуковой частоты от мощного усилителя питают небольшую газосветную лампу, в которой под действием электрического разряда светится газ (аргон или азот), заполняющий под небольшим давлением баллон лампы.
В газосветных лампах происходит тлеющий разряд (§ 54); электро дам аппаратурных газосветных ламп придают такую форму, чтобы использовать свечение околокатодного слоя (рис. 522).
Рис. 522. Газо светная лампочка.
Развитие элек тронных лавин, поддерживающих тлеющий разряд в газосветной лампе, происходит с такой быстротой, что газосветная лампочка при небольшом (в несколько миллиметров) расстоянии между электродами является одним из наименее инерционных приборов. Яркость свечения газосветной лампочки пропорциональна величине тока, поэтому коле бания яркости имеют тот же ход во времени, что и колебания тока
При использовании газосветной лампочки для записи звука свет лампочки с помощью оптических линз собирают на заслонке, в которой прорезана узкая щель; изображение этой щели отбрасывается объек тивом на киноплёнку в виде яркого штриха шири ной в 15—20 , и длиной около 2,5 мм. Поскольку яркость штриха меняется с частотой принимаемого микрофоном звука, постольку таким же образом ме няется и получаемое светочувствительным слоем осве щение, в результате чего на киноплёнке после про явления получается запись типа переменной плотности.
На рис. 523 представлена схема записи звука по способу, разработанному в СССР П. Г. Тагером (1926). Свет от мощной низковольтной лампы накаливания сосредоточивают линзами на системе, состоящей из двух поляризационных призм Николя (т. III) и помещённого между ними конденсатора, пластины которого, образующие узкую щель, погружены в прозрачную кюветку с нитробензолом С6Н5NO2.
Рис. 523. Схема записи звука по способу Тагера.
Этот конденсатор известен под названием конденсатора Керра; к его пластинам и подводят переменное напряжение звуковой частоты. В элек тростатическом поле нитробензол становится двоякопреломляющей средой (керр-эффект); при этом плоско-поляризованный луч света, входящий после прохождения через поляризующую призму в проме жуток между пластинами конденсатора, расщепляется на два луча, поляризованных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и рас пространяющихся с различной скоростью. По выходе из конденсатора эти два луча имеют некоторую разность фаз; по наблюдениям Керра разность фаз меняется с изменением напряжённости поля в конденсаторе:
здесь l—длина пути света в электростатическом поле с напряжён ностью Е, К—константа. Два луча с разностью фаз , будучи приведены второй призмой Николя к одной плоскости, интерферируют друг с дру гом, и, поскольку зависит от напря жения, приложенного к конденсатору, яркость отбрасываемого на плёнку изо бражения щели (между пластинами кон денсатора) меняется в ритме записывае мых звуковых колебаний. В результате после проявления на плёнке получается фонограмма типа переменной плот ности.
Внешний вид электрооптического конденсатора показан на рис. 524.
Рис. 524. Внешний вид элек трооптического конденсатора.
Устройства, дающие запись звука по способу переменной ширины, представляют собой разновидность осциллографа (шлейфового или струн ного), приспособленного для записи зву ковых колебаний на киноплёнке.
Шлейфовый осциллограф, как уже упоминалось в § 68, представляет собой тонкую металлическую ленту, согнутую в виде петли (шлейфа) и расположенную в сильном магнитном поле так, чтобы направление поля было параллельно плоскости шлейфа. К средней части шлейфа прикреплено маленькое зеркальце, отражающее на щель тонкий пучок света, излучаемого лампой накаливания. Шлейф и маг нитная система располагаются таким образом, чтобы при отсутствии тока через шлейф световой зайчик закрывал ровно половину щели; другая половина остаётся тёмной. При пропускании через шлейф тока звуковой частоты шлейф вместе с зеркальцем совершает вынужден ные колебания; световой зайчик при этом перемещается по щели, изображение которой отбрасывается на плёнку. После проявления на плёнке получается зубчикообразная фонограмма типа переменной ширины.
При использовании струнного осциллографа для записи звука (рис. 525) ток звуковой частоты пропускают через бронзовую нить, имеющую вид плоской ленточки; нить натянута в магнитном поле, причём взаимодействие тока с полем вынуждает колебания нити.
Рис. 525. Схема записи звука струнным осциллографом.
Световой пучок направляется оптической системой линз на нить и освещает щель, на которую объектив отбрасывает увеличенное теневое изображение нити, закрывающей при отсутствии тока половину щели. Уменьшенное до требуемых размеров изображение затенённой щели отбрасывается на движущуюся киноплёнку с помощью цилиндриче ской линзы.
Воспроизведение фотографической фонограммы любого типа (как переменной плотности, так и переменной ширины) осуществляется следующим образом. Оптическая система линз (рис. 526) собирает свет лампы накаливания на щели, изображение которой отбрасывается объективом на движущуюся в проекционном аппарате фонограмму в виде яркого штриха толщиной в 15—20 ..
Рис. 526. Схема воспроизведения звуков по их световой записи.
Световой поток, прихо дящийся на изображение щели, просвечивает фонограмму и падает затем на катодный слой фотоэлемента (§ 96), освобождая с поверх ности слоя тем большее число электронов, чем ярче падающий на фотоэлемент луч. Проходя через движущуюся фонограмму, световой поток периодически изменяется (либо вследствие переменной фото графической плотности фонограммы, либо в результате перекрывания штриха зубчиками фонограммы типа переменной ширины), поэтому соответственно изменяется и ток в контуре фотоэлемента. Переменное напряжение на зажимах нагружающего фотоэлемент сопротивления подаётся через конденсатор на сетку первой лампы усилителя. Ток конечного каскада усилителя питает громкоговоритель, воспроизво дящий записанные на фильме звуки.
1) От лат. phone — звук и gramma — запись.
1) От лат. re — вновь и producere — производить.
1) Следует заметить, что при построении характеристики, изображённой на рис. 516, взят другой масштаб оси ординат (другое значение константы пропорциональности); микрофон Рейсса гораздо менее чувствителен, нежели телефонный, и работает всегда с усилителем.