42215

ИЗУЧЕНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ УГОЛЬНОГО МИКРОФОНА И ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ТЕЛЕФОНА

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Действие угольных микрофонов основано на изменении угольного порошка под влиянием звуковых колебаний воздействующих на мембрану микрофона. Устройство микрофона в упрощенном виде и способ его включения в электрическую цепь показаны на рис. Постоянная составляющая этого тока i0 является током питания микрофона; переменная составляющая разговорным током i .

Русский

2013-10-27

106 KB

78 чел.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА  № 1

ИЗУЧЕНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ УГОЛЬНОГО

МИКРОФОНА И ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ТЕЛЕФОНА

1.ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение конструкции и принципа действия различных типов угольных микрофонов и электромагнитных телефонов?

2.ЗАДАНИЕ

  1.  Ознакомиться с различными типами микрофонов.
  2.  Изучить конструкции и принцип действия капсюльных угольных микрофонов и их характеристики.
  3.  Ознакомиться с различными типами телефонов.
  4.  Изучить конструкцию и принцип действия электромагнитного телефона.
  5.  Составить отчет.

3. КРАТКАЯ ТЕОРИЯ ВОПРОСА.

Типы микрофонов  и области их использования .

Микрофоном называют прибор, осуществляющий преобразование звуковых колебаний речи и музыки в электрические. Микрофон представляет собой одну из основных частей телефонного аппарата и размещается в микротелефонной трубке последнего.

По способу преобразования энергии звуковых колебаний в электрическую микрофоны разделяют на угольные, электромагнитные, пьезоэлектрические, электродинамические, конденсаторные, транзисторные.

Электродинамические и конденсаторные микрофоны не получили применения в телефонных аппаратах из-за низкой чувствительности, сравнительно высокой стоимости, пьезоэлектрические – из-за малой механической прочности, большой зависимости их параметров от температуры, гигроскопичности, высокого внутреннего сопротивления.

Электромагнитные микрофоны могут быть с простой или дифференциальной магнитной системой. Принцип устройства таких микрофонов аналогичен устройству соответствующих электромагнитных телефонов. Однако эти микрофоны обеспечивают небольшую дальность передачи речи и применяются обычно в сочетании с усилителями передачи.

Транзисторные (полупроводниковые) микрофоны – новый вид микрофонов, принцип действия которых основан на том, что при колебании мембраны изменяется контактное давление между эмиттером и базой (Э-Б) транзистора. С изменением давления в эмиттерном переходе изменяется сопротивление этого перехода, а следовательно, изменяется ток эмиттера. Изменение эмиттерного тока вызывает колебание тока в цепи коллектора, причем переменное напряжение можно снимать с сопротивления нагрузки Rн. Транзисторные микрофоны обладают значительной мощностью, высокой чувствительностью, небольшими размерами и весом. Однако, транзисторные микрофоны в телефонных аппаратах пока не применяются.

Наибольшее применение  в телефонных аппаратах общего назначения нашли угольные микрофоны.

Угольные микрофоны, принцип действия, характеристики.

Действие угольных микрофонов основано на изменении угольного порошка под влиянием звуковых колебаний, воздействующих на мембрану микрофона.

Устройство микрофона в упрощенном виде и способ его включения в электрическую цепь показаны на рис.1. При воздействии звукового давления на микрофон его металлическая мембрана 1 и жестко скрепленный с ней подвижный электрод 2  совершают механические колебания, которые действуют на угольный порошок 4, находящийся в ячейке из изоляционного материала 3. Сопротивление угольного порошка меняется, в электрической цепи от батареи через мембрану, неподвижный электрод 5 и первичную обмотку трансформатора будет протекать пульсирующий ток, т.е. ток,  изменяющийся по  величине и постоянный по направлению. Постоянная составляющая этого тока i0 является током питания микрофона; переменная составляющая – разговорным током i~. Этот ток индуцирует во  вторичной обмотке трансформатора переменную ЭДС.

Угольные микрофоны наряду с преобразованием энергии звуковых колебаний усиливают мощность получаемых сигналов. Усиление при работе угольного микрофона достигается за счет расхода электрической энергии батареи постоянного тока, от которой микрофон получает питание. Это обстоятельство в совокупности с низкой стоимостью обусловило широкое распространение угольных  микрофонов, несмотря на ряд существенных недостатков. Основные из них: спекание и гигроскопичность угольного порошка, нестабильность сопротивления, чувствительности и других параметров во времени, зависимость свойств микрофона от его положения в пространстве, значительные нелинейные и амплитудно-частотные искажения и собственные шумы.

В зависимости от тока питания и сопротивления микрофоны подразделяют на :

низкоомные (30 – 80 Ом, ток питания 20 – 80 мА);

среднеомные (не более 120 Ом, ток питания 26 – 50 мА);

высокоомные (не более 210 Ом, ток питания 12 – 25 мА);

Микрофоны изготавливают в виде капсюлей, помещенных в нижней части микротелефонной трубки. Конструкция одного из микрофонов помещена на плакате.

Параметры угольного микрофона можно улучшить за счет повышения качества угольного порошка, подбора размеров и формы электродов и ячейки, совершенствования акустической системы микрофона. Подвижный и неподвижный электроды изготавливаются в виде полусферы, причем расстояние между любыми двумя близлежащими точками подвижного и неподвижного электродов мало отличается друг от друга.

Электроакустические характеристики угольных микрофонов

Работу угольного микрофона, как преобразователя звуковых колебаний в электрические, характеризуют коэффициентом передачи речи или чувствительностью.

Чувствительностью микрофона Sм называют отношение электродвижущей силы Ем, развиваемой микрофоном, к звуковому давлению Р, действующему на микрофон:

         (1)

Для различных частот величина чувствительности различна. Зависимость чувствительности микрофона от частоты  при постоянном звуковом давлении и токе питания микрофона называют частотной характеристикой. Частотная характеристика микрофона обладает значительной неравномерностью. Эта неравномерность обусловлена резонансными явлениями, возникающими при совпадении частоты звуковых колебаний, воздействующих на мембрану микрофона, с собственной частотой колебаний отдельных его частей, зависит от конструкции микрофонного капсюля и формы рупора, в который помещен микрофон.

Для оценки амплитудно-частотных искажений, вносимых микрофоном в систему телефонной передачи, используют величину неравномерности частотной характеристики микрофона

      (2)

Для обеспечения более высокого качества микрофона необходимо добиваться, чтобы величина средней чувствительности микрофона в спектре частот от fн до fв была как можно больше, а S как можно меньше.

Амплитудной характеристикой микрофона называют зависимость ЭДС, развиваемой микрофоном, от величины воздействующего на него звукового давления при постоянных значениях частоты возбуждения и тока питания. Амплитудная характеристика микрофона показывает, в каких пределах микрофон преобразует звуковые колебания в электрические без значительных нелинейных искажений. Эти пределы ограничены порогом чувствительности микрофона Рmin и порогом перегрузки Р mac преобразователя. Рассмотрим зависимость развиваемой микрофоном ЭДС от величины тока питания. С увеличением тока питания ЭДС микрофона возрастает до определенного значения, после чего ЭДС начинает уменьшаться и падает до нуля из-за перегрева  и спекания зерен угольного микрофона. Это объясняется тем, что угольный порошок обладает отрицательным температурным коэффициентом проводимости, и при увеличении тока питания сопротивление микрофона уменьшается. Кроме того, с увеличением тока питания увеличивается количество контактов между зернами  угольного порошка. При значительном увеличении тока питания отдельные зерна спекаются, что ведет к уменьшению сопротивления и, в итоге, к повреждению микрофона.

Различают статическое и динамическое сопротивление микрофона.

Динамическим сопротивлением Rд угольного микрофона называют сопротивление угольного микрофона постоянному току при наличии звукового возбуждения и нормальном его положении.

Статическим сопротивление Rс  микрофона называют сопротивление микрофона постоянному току при отсутствии звукового возбуждения и нормальном его положении. Статическое сопротивление микрофона определяется постоянным наличием некоторого количества «токопроводящих мостиков» между зернами угольного порошка. Число таких мостиков даже в периоды бездействия микрофона непрерывно изменяется, следовательно, и сопротивление микрофона непрерывно претерпевает незначительные нерегулярные изменения, что вызывает появление «собственного шума» микрофона.

В динамическом  состоянии, т.е. при колебании мембраны, контактные «мостики» разрушаются и сопротивление микрофона повышается Rд>Rc. Rд  увеличивается при увеличении звукового давления. Перемещением угольных зерен объясняется зависимость сопротивления угольного микрофона от его положения в пространстве. При нормальном положении (вертикальном =90) обеспечивается минимальное сопротивление микрофона.

Электродвижущая сила микрофона.

При воздействии на микрофон гармонического звукового колебания в условиях линейной зависимости сопротивления угольного порошка от изменения звукового давления сопротивление микрофона в динамическом состоянии

Rм=Rдrм sint,

где rм – амплитуда переменной составляющей сопротивления микрофона;

Rд – среднее значение сопротивления микрофона в динамическом состоянии.

На рис 2 показана электрическая схема, в которой  работает микрофон, нагруженный сопротивлением Rн и находящийся под действием синусоидального изменяющегося звукового давления Р=Рм sint. Ток в микрофонной цепи

Если обозначить                то

        (3)

Величину m называют коэффициентом модуляции, который зависит от чувствительности микрофона и от интенсивности звука, действующего на его мембрану.

Разлагая выражение (3) в степенной ряд, получим: 

Отсюда видно, что микрофон в процессе преобразования энергии вносит в тракт передачи значительные нелинейные искажения (15-20%). Для снижения нелинейных искажений необходимо, чтобы rм было мало по сравнению с  R=Rн+Rд, т.е. m<1. Громкий разговор увеличивает коэффициент модуляции, но снижает разборчивость речи. Для современных микрофонов m=0,2, поэтому

Второе слагаемое является переменной составляющей тока в микрофонной цепи и позволяет определить ЭДС микрофона:  

Таким образом величина eм пропорциональна величине тока питания Io и амплитуде переменной составляющей сопротивления микрофона rм, которое, в свою очередь, зависит от звукового давления.

Классификация телефонов, принцип действия

и конструкции электромагнитных телефонов

Телефоном называют прибор, предназначенный для преобразования электрических колебаний в звуковые, работающий в условиях нагрузки на ухо человека. Телефон представляет собой одну из основных частей телефонного аппарата и размещается в микротелефонной трубке последнего.

По способу преобразования электрической энергии телефоны разделяют на  электромагнитные, электродинамические и пьезоэлектрические.

Электродинамические телефоны имеют небольшую чувствительность, поэтому используются, главным образом, для измерительных целей.

Пьезоэлектрические телефоны не нашли применения из-за малой механической прочности.

Наиболее  распространены электромагнитные телефоны, изготовляемые с простой и дифференциальной магнитной системами.

В телефонной связи в основном применяются электромагнитные телефоны с простой магнитной системой. Причем в телефонных аппаратах последних выпусков применяют капсюльные телефоны, изготовленные отдельно от микрофонной трубки и являющиеся неразборными.

Основными составными частями телефона являются: постоянный магнит, две катушки со стальными сердечниками, полюсные надставки, прикрепленные к полюсам магнита,  металлическая  мембрана, расположенная на небольшом расстоянии от сердечников катушек (см.плакат).

Физический процесс работы телефона основан на законах магнетизма и электромагнетизма. При отсутствии тока в обмотке телефона мембрана имеет некоторый прогиб за счет  силы притяжения постоянного магнита. При прохождении через обмотки переменного тока возникает переменный магнитный поток с амплитудой Ф~ , который, взаимодействуя с потоком постоянного магнита Ф=, усиливает или ослабляет притяжение мембраны. Вследствие  своей упругости мембрана будет совершать колебания с частотой тока, проходящего по его обмоткам. Если через обмотку телефона пропустить переменный ток, полученный с линии, колебания мембраны будут воспроизводить передаваемую речь.

Если например, по обмотке телефона пропустить переменный синусоидальный ток с частотой , то на мембрану будет действовать сила F, обусловленная суммой магнитных потоков Ф=~:

где К – коэффициент пропорциональности.

Из этого выражения следует, что колебания мембраны телефона определяется воздействием двух сил. Первая сил F1= 2Ф~ Ф=К sint, вызывает полезные колебания с частотой . Вторая сила    также изменяется во времени, но вызывает колебания с удвоенной частотой 2, т.е. вносит нелинейные искажения. Из сравнения амплитуд этих сил   следует, что для выполнения условия неискаженной передачи необходимо выполнить соотношение    (в реальных телефонах ). Тогда силой F2 можно пренебречь и считывать, что мембрана будет колебаться с частотой  тока, проходящего по обмотке телефона.

Для создания условий неискаженного воспроизведения звуковых колебаний  достаточной интенсивности необходимо, чтобы величина постоянного магнитного потока Ф= была значительно больше амплитуды переменного потока. Чем сильнее постоянный магнит, тем больше сила, приводящая в колебание диафрагму телефона, и меньше нелинейные искажения. Однако увеличивать Ф=  в магнитной системе можно лишь до некоторого оптимального значения Ф=опт. При значительном увеличении магнитного потока (>Ф=опт) происходит насыщение мембраны, и ток, проходящий по обмоткам, не будет вызывать изменений магнитного потока в этих обмотках, и мембрана не будет колебаться. Величина постоянной магнитной индукции в мембране должна соответствовать прямолинейному участку кривой намагничивания. Только в этом случае сила, приводящая в колебание мембрану, будет пропорциональна изменению намагничивающей силы. С этой целью обмотки телефона наносят не непосредственно на постоянные магниты, обладающие большим остаточным  намагничиванием, а на сердечники, называемые полюсными надставками и обладающие малым остаточным намагничиванием и большой магнитной проницаемостью. Полюсные надставки изготавливают из магнитомягкой стали, пермалоя; мембрану из пермендюра. Постоянные магниты изготавливают из альни.

Основные характеристики телефонов.

Характеристики телефона, оценивающие его качество как преобразователя, могут быть различны.

Чувствительностью телефона Sт называют отношение звукового давления Р, развиваемого испытуемым телефоном в камере искусственного уха, к переменному напряжению Vт на его зажимах.  

Искусственное ухо – прибор, имитирующий среднюю акустическую нагрузку на телефон, создаваемую ухом человека.

Зависимость чувствительности от частоты называется  частотной характеристикой телефона. Частотная характеристика показывает, что телефон при различных частотах и неизменном напряжении на его зажимах создает различное звуковое давление. Подобная  зависимость обычно приводится в виде кривой, по оси абсцисс которой откладывают частоту f(Гц), а  по оси ординат – значения чувствительности. Величины f и Sт откладывают в логарифмическом масштабе. Для оценки качества телефона, как преобразователя для спектра частот, пользуются  понятием средней чувствительности:

Где частоты  задаются по ГОCТ.

Частотные характеристики различных типов телефонов имеют неравномерный харакер, которая объясняется резонансными явлениями и определяет частотные искажения телефона. Для оценки степени отклонения чувствительности телефона в рабочем диапазоне частот  от средней чувствительности используют величину неравномерности частотной характеристики чувствительности.  

Где Sт.макс, Sт.мин - соответственно наибольшее и наименьшее значения чувствительности преобразователя в диапазоне частот   

Для сравнения качества телефонов с различными сопротивлениями используют приведенную чувствительность.

где  Zт – модуль сопротивления телефона на частоте  f=1000Гц

Нижний и верхний пределы полосы частот, воспроизводимой телефоном, зависимость чувствительности от частоты, средняя величина чувствительности определяются конструкцией телефона, материалом мембраны, полюсных надставок и магнита.

4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

  1.  Какое устройство называют микрофоном?
  2.  Поясните принцип действия угольного микрофона?
  3.  Что такое статическое сопротивление угольного микрофона?
  4.  Что называют динамическим сопротивлением угольного микрофона?
  5.  Какими основными параметрами и характеристиками оценивают качество угольного микрофона?
  6.  Чем объясняется неравномерность частотной характеристики угольного микрофона?
  7.  Чем объясняется изменение сопротивления угольного микрофона в зависимости от тока питания?
  8.  Перечислите основные типы телефонов.
  9.  Поясните принцип действия электромагнитного телефона?
  10.  Какие магнитные материалы применяются для изготовления деталей и почему?
  11.  Каковы причины возникновения нелинейных искажений в телефоне?
  12.  Какими основными параметрами  и характеристиками оценивается качество работы телефона?
  13.  Дайте определение чувствительности  и частотной характеристики чувствительности телефона.
  14.  Чем объясняется неравномерность частотной характеристики?
  15.  Какие применяются способы выравнивания частотной характеристики?
  16.  Как влияет корректирующее устройство на чувствительность телефона и неравномерность?

5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

  1.  Устройство угольного микрофона, поясняющее принцип его действия
  2.  Устройство электромагнитного телефона, поясняющее принцип его работы.

ЛИТЕРАТУРА

  1.  Автоматические системы коммутации. Под ред. О.Н. Ивановой.-М.: Радио и связь, 1988, с.21-32
  2.  Аваков Р.А., Шилов О.С., Исаев В.Н. Основы автоматической коммутации.-М.: Радио и связь, 1981, с.11-17

9


Е

Рис.  2

н

Rм

V

Rн

Рис. 1

3

5

4

2

1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

71325. Спутники для загрузки многоцелевых станков с ЧПУ 1.98 MB
  Еще одной разновидностью являются палеты для накопления деталей типа тел вращения предназначенные для обеспечения работы токарных многоцелевых станков. В конструкции палет должна быть предусмотрена выгрузка деталей роботом непосредственно из палет для установки на станок...
71326. Устройства для отвода стружки 2.3 MB
  Наибольшее распространение получил способ отвода стружки конвейерами пластинчатыми магнитными скребковыми и т. При использовании устройств для отвода стружки от станка: предотвращается концентрация теплоты в местах контакта стружки с узлами станка и снижаются деформации...
71327. АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 88 KB
  В начале нашей эры Герон Александрийский в работах «Пневматика» и «Механика» привел описание автоматов, которые он создал: пневматический автомат для открывания дверей храма и зажигания жертвенного огня; водяной орган; прибор для автоматического измерения длины дороги, напоминающий таксометр...
71328. Комплексная автоматизация технологических процессов 68.5 KB
  Оценивая занятость части или всех компонентов в реализации какого-либо явления например автоматизации всем объектом участком цехом. всеми компонентами какого-либо явления например автоматизации. Это означает что в реализации рассматриваемого явления например...
71329. ОСНОВЫ АВТОМАТИКИ. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ 294.5 KB
  Автоматические системы применяемые при автоматизации производственных процессов в зависимости от характера и объема операций выполняемых ими можно разделить на системы автоматического контроля автоматического регулирования автоматического управления следящие...
71330. ЭЛЕМЕНТЫ АВТОМАТИКИ 886.5 KB
  Состав и конструкция сенсора определяются типом измеряемой величины и методом ее восприятия особенностями размещения датчика. Статическая характеристика датчика представляет собой зависимость изменения выходной величины от входной величины...
71331. Исполнительные элементы систем автоматики 856.5 KB
  В качестве исполнительных элементов в системах автоматики в основном применяют мощные электромагнитные реле магнитные пускатели контакторы электромагниты электромагнитные муфты электрические двигатели мембранные и поршневые гидравлические и пневматические двигатели.
71332. Общие сведения о микроэлектронике 183.5 KB
  Полупроводниковые ИМС полупроводниковый кристалл в толще которого выполняются все компоненты схемы: полупроводниковые приборы и полупроводниковые резисторы. Кристалл полупроводника помещают в герметизированный пластмассовый или стеклянный корпус имеющий выводы во внешнюю цепь.
71333. Становление полисной системы в Древней Греции 673.5 KB
  Время упадка переходный смутный хаотичный период между греческим классицизмом и могуществом Римской империи Нибур Период распространения эллинской культуры на Востоке и усвоения ее достижений народами Азии Дройзен Тарн Мейер Бенгтстон Политические и экономическое единство созданное...