1 МИНИСТЕРСТВО КУЛЬТУРЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
advertisement
1 МИНИСТЕРСТВО КУЛЬТУРЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ КИНО И ТЕЛЕВИДЕНИЯ» Кафедра акустики Ш.Я. ВАХИТОВ, Я.Ш. ВАХИТОВ МИКРОФОНЫ. ТЕЛЕФОНЫ. ГАРНИТУРЫ Теория, расчет, конструирование, эксплуатация САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2010 2 УДК 621 ISBN 978-5-94760-093-3 Рецензент заведующий кафедрой электроакустики и ультразвуковой техники Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета доктор технических наук, профессор К.Е. Аббакумов Вахитов Ш.Я., Вахитов Я.Ш. Микрофоны. Телефоны. Гарнитуры. Теория, расчет, конструирование, эксплуатация. - СПб.: изд. СПбГУКиТ, 2010. -261с. Книга посвящена одной из важных проблем современной акустики разработке комплексной теории различных видов электроакустической аппаратуры. Монография предназначена для специалистов, занимающихся разработкой, производством и эксплуатацией электроакустической аппаратуры, а также для аспирантов, магистрантов и студентов старших курсов, специализирующихся по акустике и электроакустике. Рекомендовано к изданию Советом факультета аудиовизуальной техники СПбГУКиТ. Протокол № 5 от 17.12. 2009 г. © Ш.Я. Вахитов, Я.Ш. Вахитов. 2010 3 ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРОВ Настоящая монография посвящена вопросам теории, расчета и принципам конструирования различных типов современной электроакустической аппаратуры. Основополагающими в этих вопросах были ранние работы А.А. Харкевича и Л.Я. Гутина, опубликованные еще в 30-х годах прошлого столетия и посвященные принципам проектирования наиболее простых типов электроакустической аппаратуры, только что появившимся в то время. Что касается акустически более сложных типов микрофонов и телефонов, то литературные данные по ним до последнего времени остаются крайне лаконичными и, как правило, ограничиваются качественными оценками, не всегда соответствующими истине. Задача данной работы - компенсировать этот пробел, изложив с системных позиций принципы формирования комплексных характеристик указанных типов аппаратуры, основанные на оптимальном согласовании парциальных характеристик их подсистем. Другая задача, стоящая перед авторами данной монографии - это углубление физических представлений о процессах, происходящих в электроакустической аппаратуре на разных стадиях преобразования акустических колебаний воздушной среды в электрические сигналы и обратно, а также разработка в дальнейшем на этой основе методов комплексного акустического проектирования различных типов аппаратуры. Особенностью построения и рубрикации данной монографии является системно-структурное изложение результатов исследований авторов. При работе над монографией авторы, конечно, использовали кроме результатов собственных исследований не устаревающие книги по акустике и электроакустике Харкевича А. А., Гутина Л. Я., Фурдуева В., Иофе В. К., Сапожкова М. А., Стретта (Рэлея) Д. В., Беранека А., Скучика Е., Морза Ф. и других авторов. Несмотря на то, что монография имеет научно-техническое содержание, изложение материала в ней направлено на разъяснение прежде всего физической стороны дела, особенно важной для инженеровразработчиков электроакустической аппаратуры, поэтому, где это только возможно, авторы стремились к упрощению математического аппарата, а при рассмотрении ряда вопросов зачастую излагали только конечные результаты исследований, представляя их в удобной для расчетов форме, а иногда и сознательно пренебрегали математической строгостью изложения. Надеемся, что математические подробности, без которых всё же нельзя обойтись при изложении теории и расчетных методов проектирования аппаратуры, нигде не заслоняют физической сущности рассматриваемых вопросов. Не секрет, что в настоящее время российская наука, техника и производство наукоемкой продукции переживает глубокий кризис. Коснулось это и электроакустики, довольно специфической отрасли технической физики. Надежды на то, что опыт и знания советского поколения специалистов будут переданы через разрозненные статьи, опубликованные в разное время в несуществующих сейчас журналах, или через технические отчеты, в лучшем случае пылящиеся в архивах рухнувших ВНИИ и ЦКБ, по 4 меньшей мере наивны. Мы убеждены, что единственный реальный путь передачи опыта и знаний через поколение в таких отраслях - это максимальная концентрация и обобщение накопленного научного багажа в монографиях и других книгах, подводящих итоги развития того или иного направления. Данная монография призвана решить одну из частных проблем, поставленных выше. У нас есть все основания считать, что в ряде направлений электроакустики, скромные достижения отечественной науки пока вполне сопоставимы с «мировым уровнем», а в ряде моментов (например, в методах расчета акустико-механических элементов, методах проектирования различных типов аппаратуры и в целом ряде других вопросов) даже опережают его. Монография предназначена прежде всего для наших коллег специалистов, занимающихся разработкой, производством и даже эксплуатацией электроакустической аппаратуры, а также для тех, кто должен прийти им на смену, т.е. для аспирантов, магистров и студентов старших курсов, специализирующихся по акустике и электроакустике. Книга может быть полезна и инженерам, занимающимся смежными вопросами, такими как разработка электростатических и рупорных громкоговорителей, высокочастотных головок прямого излучения, а также другой электроакустической аппаратуры. В данной работе авторы сознательно не представили подробные методики проектирования конкретных видов аппаратуры, разработанные и опубликованные в более ранних работах [2, 3, 18], т.к., по нашему мнению, это сузило бы сферу применения рассмотренных здесь результатов, которые носят достаточно универсальный для электроакустики характер. Структурно монография состоит из предисловия, четырех глав и списка литературы. Первая глава посвящена, в основном, изложению теории и методов расчета различных подсистем и узлов большинства существующих типов динамических катушечных микрофонов, построению аналитических моделей их ЧПХЧ в целом с учетом ранее исследованных полевых факторов. Также уделено внимание аналитическим соотношениям для расчета эквивалентных сосредоточенных параметров ряда распределенных систем, таких как эквивалентная гибкость и площадь диафрагмы динамического катушечного преобразователя с куполообразной диафрагмой (микрофона, телефона, ВЧ головки). Подробно рассмотрен расчет магнитных систем с учетом специфики характеристик магнитных материалов, появившихся в последние годы. Вторая глава посвящена, в основном, изложению теории и методов расчета акустико-механических подсистем различных типов конденсаторных микрофонов. Достаточно много внимания уделено определению эквивалентных сосредоточенных параметров ряда распределенных систем, характерных для различных типов электростатических преобразователей (таких как эквивалентная масса и трение в воздушных зазорах различной конфигурации, определению границ 5 зон динамического равновесия при разнородном характере стока из воздушного зазора и др.). Рассмотрены вопросы теории и проектирования микрофонов, предназначенных для специфических (внестудийных) условий эксплуатации, таких как системы звукоусиления, системы связи в условиях сильных шумов и вибрации, а также мало освещенные в литературе вопросы теории остронаправленных микрофонов. Третья глава посвящена вопросам теории и конструирования головных телефонов (по терминологии авторов - отофонов) с различным типом акустического оформления и преобразования сигналов. Теории и методам расчета телефонов в технической литературе (по крайней мере русскоязычной) по целому ряду причин с 80-х годов прошлого столетия уделялось весьма мало внимания, здесь мы стремились как-то исправить эту ситуацию. Теория отофонов, как и микрофонов в предыдущих главах, рассматривается с системных позиций, что позволяет читателям более четко понять физику описываемых явлений. Четвертая глава посвящена вопросам эксплуатации различных типов электроакустической аппаратуры (микрофонов, головных телефонов, гарнитур), теория которых была рассмотрена в первых трех главах настоящей монографии. По нашему мнению, вопросам правильной эксплуатации электроакустической аппаратуры в серьезной технической литературе уделялось незаслуженно мало внимания, что зачастую порождало в среде звукорежиссеров и других специалистов по эксплуатации целый ряд ничем не обоснованных положений, зачастую граничащих с мифами. В этой главе мы постарались дать кроме общих рекомендаций свое видение процесса эксплуатации, базирующееся как на физических представлениях, так и на собственном и чужом опыте, а не на легендах. Эта глава изложена в максимально «облегченном» виде для лучшего ее понимания широким кругом аудиоинженеров и звукорежиссеров. Следует отметить, что разделение на главы в данной монографии носит довольно условный характер. Так, например, теория однонаправленных микрофонов (динамических и конденсаторных) с фазосдвигающей цепочкой rc типа рассмотрена в параграфе 1.3, так как несмотря на разные типы преобразователей в этих микрофонах больше общего, чем различий. Рассмотрение их по отдельности заняло бы существенно больший объем, а также привело бы к неизбежным повторам уже сказанного, что, на наш взгляд, не всегда целесообразно. В параграфах 1.5 и 1.6 рассматриваются методы расчета подвижной и магнитной системы катушечного электродинамического преобразователя, что одинаково применимо и для динамических микрофонов, и для телефонов, и для купольных головок громкоговорителей. В параграфе 2.6 рассматриваются методы расчета ряда элементов конденсаторных микрофонов, таких, как распределенная система в виде слоя воздуха в зазоре. Эти методы применимы в равной степени для ряда телефонов и плоских электростатических головок громкоговорителей, а также для купольных электродинамических головок, например, рупорных громкоговорителей, где результаты наших исследований уже сейчас нашли вполне конкретное отражение [36]. 6 Главы 1 (кроме параграфа 1.6), 2 и 4 написаны Ш.Я. Вахитовым, глава 3 и параграф 1.6 написаны Я.Ш.Вахитовым. Разделение по авторству на главы и параграфы в монографии носит достаточно условный характер, так как авторы используют при изложении своих разделов не только результаты собственных работ, но и работ соавтора. Насколько нам удалось реализовать указанные выше стремления – судить читателям этой книги. В заключение считаем приятным долгом выразить признательность нашему рецензенту – заведующему кафедрой электроакустики и ультразвуковой техники СПбГЭТУ (ЛЭТИ) доктору технических наук, профессору К.Е. Аббакумову, а также коллективу редакционноиздательского отдела СПбГУКиТ за внимательный просмотр рукописи, ряд ценных замечаний и пожеланий, а также за оказанную помощь и полезные советы. 7 Основные сокращения АМП – акустико-механическая подсистема; АОС – акустическая обратная связь; ВЧ – высокие частоты; ДКМ – двухмембранный конденсаторный микрофон; ГИ – гармонические искажения; ГГ – громкоговоритель; ГТ – головные телефоны; ЗЗК – звукомерная заглушённая камера; ЗК – звуковая катушка; ЗТ – звуковой тракт; КМ – конденсаторный микрофон; КЭМС – коэффициент электромеханической связи; МЦ, МС– магнитная цепь, магнитная система; МФ – микрофон; НКМ – ненаправленный конденсаторный микрофон; НИ – нелинейные искажения; НЧ – низкие частоты; НЭ – неподвижный электрод; ОКМ – однонаправленный конденсаторный микрофон (одномембранный); ОДМ – однонаправленный динамический (катушечный) микрофон; ОФ – отофон; ПС – подвижная система; СЗУ – система звукоусиления; СЧ– средние частоты; ТЗ – техническое задание; ФСЦ– фазосдвигающая цепочка; ХН – характеристика направленности; ЧД – частотный диапазон; ЧМ – частотная модуляция; ЧГГХЧ – частотно-пространственная характеристика чувствительности; ЧХЗД – частотная характеристика звукового давления; ЧХЧ – частотная характеристика чувствительности; ЭАХ – электроакустические характеристики; ЭДП – электродинамический преобразователь; ЭМП – электромеханический преобразователь; ЭЭС – эквивалентная электрическая схема. Механические и акустические величины , , –колебательное смещение, скорость, ускорение; F – механическая сила, [н]; z – полное комплексное механическое сопротивление [кг/с]; 8 r, m, с – активное механическое сопротивление [кг/с]; масса [кг]; гибкость [М/н]; s =1/с – упругость [н/ М]; 1 – инерционное и упругое сопротивление [кг/с] ; m, с p0 – плотность воздуха 1,23[кг/м 3 ]; c0 , v 0 –скорость звука в воздухе 340 [М/с]; p – звуковое давление; f – частота колебаний; – круговая частота; Pa – атмосферное давление; J –интенсивность звука; k– волновое число; λ – длина звуковой волны; η – коэффициент потерь - величина, обратная добротности; М, M(f), E(0), E(f) – чувствительность и частотная характеристика чувствительности микрофона, ЧХЗД отофона (головного телефона); M(f, θ), М(f, θ, R) – частотно-пространственная характеристика чувствительности в поле плоской и сферической волны (ближнем поле); Wэ , Wa – мощности [Вт] электрическая и акустическая; J – интенсивность звука [Вт/м2]; R(θ) – характеристика направленности; θ – угол к акустической оси; Ω – коэффициент направленности микрофона; N, L – уровни [дБ]; К г – коэффициент гармоник. Электрические и магнитные величины i = q – ток [А], первая производная заряда [К Л /с]; е, u –переменная электродвижущая сила; U 0 – постоянное напряжение [В]; 0 , – диэлектрическая постоянная вакуума 8,85 1012 Ф м , относительная диэлектрическая проницаемость материала; В – магнитная индукция; Z – полное (комплексное) электрическое сопротивление [Ом] ; W1 , W2 – число витков первичной и вторичной обмотки трансформатора; R, L, С – активное электрическое сопротивление [Ом], индуктивность [Г], ёмкость [Ф]; 1 L, – индуктивное и емкостное сопротивление [Ом]. c 9 Другие величины S – площадь [м2]; l – длина [м]; n = S 1 /S 2 = W 1 , W 2 = l 1 /l 2 - коэффициент трансформации; – ширина зазоров и щелей; ∆ – толщина оболочки (подвижного элемента, мембраны или диафрагмы) р 1 – плотность материала мембраны; S 1 – площадь мембраны, эквивалентная площадь мембраны; τ – натяжение мембраны [н/м 2 ] ; Е – модуль Юнга; динамический модуль упругости материала; – коэффициент Пуассона; р, v – плотность и скорость звука в любом материале или среде; X, R – расстояние от источника звука до микрофона или до точки расположения слушателя [м]; К – коэффициент связи выходной и входной величин; d, l э – эквивалентная геометрическая разность хода звуковой волны и ее продольная (осевая) составляющая [м]. 10 ГЛАВА 1. ТЕОРИЯ и РАСЧЕТ ДИНАМИЧЕСКИХ МИКРОФОНОВ 1.1. Функционально-системная структура и классификация микрофонов Микрофоном (МФ) называется электроакустический аппарат, осуществляющий преобразование акустических колебаний в воздушной среде в электрические сигналы. Иначе говоря, МФ представляет собой устройство, на вход которого действует звуковое давление р, создаваемое источником звука в заданной точке звукового поля, а на выходе получается электрический сигнал с напряжением и. При этом имеется в виду, что величина р – давление в свободном поле, т.е. при отсутствии микрофона и отраженных волн в выбранной точке поля. Эффективность такого преобразования в целом оценивается отношением напряжения на выходе микрофона к звуковому давлению на его входе и называется чувствительностью МФ, которую сейчас принято нормировать в мВ/Па. Современный микрофон представляет собой достаточно сложную систему, которую можно представить цепочкой функциональный звеньев или ступеней, отображающих характер происходящих в них частных преобразований (рис. 1.1). Поэтому для полноценного анализа работы микрофонов необходим системный подход, основы которого применительно к электроакустической аппаратуре были заложены А.А. Харкевичем, а в настоящее время получили дальнейшее развитие в работах [1-4]. В соответствии с системными представлениями микрофон, рассматриваемый как комплексная электроакустическая система, может быть разделен на ряд подсистем (звеньев), а именно: акустическую, акустико-механическую (механическую), электромеханическую (механоэлектрическую) и электрическую. Название каждой подсистемы определяется характером и физической природой происходящих в ней процессов. В общем случае чувствительность микрофона М во всем диапазоне звуковых частот может быть представлена произведением М= u F e u = , p p F e (1.1) где р – звуковое давление в свободном поле; F – внешняя сила, действующая на входы микрофона; | - колебательная скорость активной мембраны; е – ЭДС, создаваемая преобразователем; u – напряжение на нагрузочном сопротивлении. Рис. 1.1. Функционально-системная структура микрофона Рис. 1.2. Иллюстрация к изменению величины звукового давления на торце цилиндра 0 0 при фронтальном (0 ) и скользящем (90 ) падении звуковой волны Рис. 1.3. Частотная зависимость коэффициентов дифракции D 0 ,D 90 ,D m Рис. 1.4. Приемник давления (а), его ЭЭС (б), иллюстрация пространственной характеристики (в) Отношения F e u ; ; ; представляют p F e собой парциальные чувствительности соответственно акустической, акустико-механической, электромеханической и электрической подсистем микрофона, о которых говорилось ранее. Оговоримся сразу, что, как будет видно из дальнейшего изложения, чисто аналитически эти парциальные чувствительности не всегда удается разделить, например, в однонаправленных микрофонах с внутренней фазосдвигающей цепочкой. Свойства акустической подсистемы, или акустической антенны, характеризуют микрофон как приемник звука. Звуковое давление, создаваемое источниками звука, воздействует на акустический вход (или входы) микрофона. В результате взаимодействия приемника звука и звукового поля формируется механическая сила (или силы), зависящая от ряда факторов: волновых размеров и формы корпуса микрофона и его акустических входов, волнового расстояния между последними, угла падения звуковой волны относительно акустической оси микрофона, характера звукового поля. Акустико-механическая подсистема (звено) служит для согласования в заданном диапазоне частот силы (или сил), формируемых приемником (антенной), с величиной колебательной скорости (для динамических микрофонов) или колебательного смещения (для конденсаторных) подвижного элемента преобразователя. Эту подсистему обычно представляют в виде механической модели-аналога или эквивалентной электрической схемы. Свойства этого звена определяются как его топологией, так величиной и частотной зависимостью, входящих в него акустико-механических элементов (масс, гибкостей, активных сопротивлений). В конструктивном отношении эти элементы представляют собой различные зазоры, щели, отверстия, объемы, пористые элементы, находящиеся обычно внутри капсюля микрофона. Это звено определяет частотную характеристику чувствительности (ЧХЧ) микрофона и совместно с акустическим звеном формирует у комбинированных и однонаправленных микрофонов их характеристику направленности (ХН) в широком диапазоне частот. Электромеханическая (или, точнее, механоэлектрическая в микрофонах) подсистема представляет собой электромеханический преобразователь, работающий в микрофонах в режиме генератора и преобразующий механические колебания подвижного элемента в электродвижущую силу (ЭДС). Эффективность и стабильность работы преобразователя зависит также от ряда факторов, например в конденсаторных микрофонах - от площади мембраны и неподвижного электрода, величины зазора между ними, напряжения поляризации, механических и электрических свойств материала мембраны и т. д. Эффективность преобразователя принято характеризовать коэффициентом электромеханической связи е/£. Электрическая подсистема обычно представляется в виде электрической схемы, состоящей из обычных электрических элементов. Это звено выполняет функцию согласования электрической стороны преобразователя с последующим усилительным устройством (например, в конденсаторных микрофонах согласует большое емкостное сопротивление капсюля с относительно низкоомным входом последующего усилительного устройства). Это звено определяет такой немаловажный параметр, как собственный шум микрофона. Электрическое звено осуществляет также перераспределение ЭДС, наводимой в преобразователе, между нагрузкой и другими элементами электрической схемы, что, естественно, влияет на чувствительность микрофона. В некоторых моделях электрическая схема служит для коррекции частотной характеристики. Основными классификационными признаками микрофонов являются: тип приемника (или характеристика направленности); тип преобразователя; назначение (область применения); конструктивное исполнение; способ связи с трактом (проводные, радиомикрофоны). Как видно, основными факторами классификации являются ведущие подсистемы: акустическая и электромеханическая. Тип приемника определяет направленные свойства МФ, выражаемые обычно характеристикой направленности (ХН). Характеристикой направленности R( ) называют функциональную зависимость чувствительности при произвольном угле падения звука к его осевой чувствительности (т.е. при = 0 ) в свободном поле на частоте f или в полосе частот. Аналитически ХН обычно представляют в виде « улитки Паскаля»: R( )=M( )/M( )=a+βcos . (1.2) По этому признаку МФ делятся на: – приемники давления (круговые, ненаправленные), где a =1, β =0; – симметричные приемники разности или градиента давления (восьмерочные, двунаправленные), где а = 0, β =1; – несимметричные разности давления (односторонне направленные). Последний тип приемника реализует такие ХН, как кардиоида, суперкардиоида, гиперкардиоида, субкардиоида, которые подробнее будут рассмотрены дальше. По направленности также различают комбинированные (акустически и электрически) и остронаправленные микрофоны, в которых ХН имеет более острую форму, чем это допускает «улитка Паскаля». Последние в зависимости от способа обострения ХН подразделяют на интерференционные («пушки»), фокусирующие (рефлекторные) и биградиентные (градиента второго порядка). По типу преобразователя микрофоны бывают: угольные (в стационарных телефонных аппаратах), динамические (катушечные и ленточные), конденсаторные (с внешним источником и электретные), пьезоэлектрические (биморфные и пленочные) и др. По назначению МФ могут быть: бытовыми, специального назначения и профессиональными. Последние также подразделяются по более узким признакам: для акустических измерений, звукозаписи музыки, вокала и художественной речи в студийных условиях, систем звукоусиления (музыки и речи), диспетчерской связи и т.д. По конструктивному исполнению (условиям эксплуатации) МФ бывают: ручными (для солистов), петличными (для крепления на одежде), для различных музыкальных инструментов, граничного слоя (PZM), для трибун и столов заседаний (на «гусиной шее»), для видео- и кинокамер, для уличных репортажей и т.д. О назначении МФ и применимости их в тех или иных условиях судят по совокупности их технических параметров и характеристик, или иначе – по показателям качества (подробнее об этом см. в главе 4). Тип приемника и тип преобразователя являются определяющими суть микрофона звеньями. Акустико-механическое и электрическое звенья -согласующими, основная задача которых - обеспечение минимальных потерь полезного сигнала, а также получение требуемой для данного микрофона частотной и пространственной характеристики. Частотные и пространственные характеристики микрофонов в реальности взаимосвязаны и взаимозависимы [2, 39], поэтому здесь мы введем наше обобщающее их понятие, теперь уже узаконенное российскими стандартами [42, 43]. Частотно-пространственной характеристикой чувствительности (ЧПХЧ) микрофона будем называть функциональную зависимость чувствительности микрофона одновременно от частоты, угла падения звуковой волны относительно акустической оси и от расстояния до источника звука, т.е. M(f, θ, R). При измерениях ЧПХЧ представляют семейством частотных характеристик чувствительности для различных углов падения звуковой волны при фиксированном расстоянии от источника звука.
