Функционально – системное представление МФ: подсистемы, согласование их характеристик, вывод формулы чувствительности.463

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 p, создаваемое источником звука в заданной точке звукового поля, а на выходе получается электрический сигнал с напряжением u. При этом имеется в виду, что величина p – 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). 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 (механо-электрическую) 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

где p - звуковое давление в свободном поле; F - внешняя сила, действующая на входы микрофона; - колебательная скорость активной мембраны; e - ЭДС, создаваемая преобразователем; u - напряжение на нагрузочном сопротивлении.

Отношения представляют 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.

1. 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.

2. 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.

3. 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 .

4. 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.