4.6. КАТУШЕЧНЫЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ МИКРОФОНЫ

Ненаправленный микрофон

Весьма распространенным типом электродинамических микрофонов является катушечный электродинамический микрофон. Схематически его устройство представлено на рис. 4.18.

Подвижная система этого микрофона состоит из круглой выпуклой диафрагмы, которая крепится к магнитной системе гибким воротником. Диафрагма легкая алюминиевая и достаточно жесткая, чтобы колебаться под действием звукового давления как поршень. По краю диафрагмы, с внутренней стороны, прикреплена легкая цилиндрическая подвижная катушка. Катушка сделана также из алюминиевого провода и находится в кольцевом зазоре магнитной системы. Горшкообразный магнит с центральным стержнем создает в кольцевом зазоре магнитной системы поче в радиальном направлении.

Рис. 4.18. Катушечный электродинамический микрофон: 1 — диафрагма с катушкой; 2 — магнит, 3 — немагнитный диск с отверстиями

Простейший катушечный микрофон выполняется как ненаправленный приемник давления, Так же, как и в ленточном ненаправленном микрофоне — приемнике давления, для получения частотнонезависимой характеристики чувствительности требуется постоянство модуля механического сопротивления подвижной системы в рабочем диапазоне частот. Диафрагма с катушкой, подвешенная на гибком воротнике, представляет собой типичную резонансную систему. Для «выравнивания» ее механического сопротивления по диапазону частот используют связанную с ней акустическую систему объемов воздуха под диафрагмой, в горшкообразном магните и узкой щели. При помощи этой щели объемы сообщаются через деталь из немагнитного материала, укрепленную на сердечнике под катушкой.

Эквивалентная электрическая схема такой механико-акустической системы приведена на рис. 4.19 а, где использованы обозначения: соответственная масса и гибкость диафрагмы с катушкой и воротника, на котором они подвешены; сопротивление вязкого трения, образующегося при протекании воздуха через щель, и масса этого воздуха соответственно; гибкость воздуха под диафрагмой; гибкость воздуха в полости магнита.

Штрихи у обозначений показывают, что эти акустические параметры пересчитаны к механическим, соответствующим площади диафрагмы:

где площадь диафрагмы; и воздушные объемы под диафрагмой и в полости магнита соответственно; акустическая масса воздуха в щели сечением и длиной акустическое сопротивление вязкого трения в той же щели; атмосферное давление; у — показатель адиабаты, .

Рис. 4.19. Эквивалентные схемы механико-акустической системы катушечного микрофона: а — без компенсирующей трубочки; б - с компенсирующей трубочкой; в — упрощенная схема с компенсирующей трубочкой (область низких частот) то же, что в, без компенсирующей трубочки

В области низких и средних частот сопротивление гибкости велико и схема превращается в простой колебательный контур. Сопротивление определяет затухание в этом контуре и для того чтобы модуль сопротивления контура не сильно менялся, должно быть велико по сравнению с реактивными составляющими сопротивления контура: В области высоких частот это соотношение соблюсти, очевидно, невозможно из-за роста реактивного сопротивления с частотой. Однако шунтирующее действие гибкости приводит к выравниванию входного сопротивления всей цепи. В системе появляется второй резонанс благодаря этой емкости в области высоких частот. Точный анализ зависимости величины входного сопротивления от частоты показывает, что оно действительно мало меняется с частотой при правильном выборе соотношений между параметрами акустической и механической систем. Приближенное значение модуля этого сопротивления:

где

Таким образом, чувствительность холостого хода катушечного микрофона составляет:

Выражение (4.61) справедливо для частот вблизи и выше частоты резонанса механической системы На частоте ниже резонанса сопротивление резко возрастает и чувствительность микрофона падает при понижении частоты. Во избежание этого используют компенсирующую трубочку, сообщающую внутреннюю полость горшкообразного магнита с окружающим воздухом. Эта трубочка достаточно длинна и узка, чтобы на частотах вблизи и выше частоты ее сопротивление было весьма велико и она не влияла бы на действие механико-акустической системы.

На частотах схема микрофона, с учетом влияния трубочки, принимает вид, изображенный на рис. 4.196. Теперь в параллель с гибкостью объема в схему добавляется звено активное и реактивное сопротивления трубки и, кроме того, действующее со стороны открытого конца этой трубки давление такое же, как и давление на диафрагму. На частотах ниже резонанса катушки ее инерциальное сопротивление а также сопротивление воздуха в щели пренебрежимо малы, а сопротивление гибкости воздуха под мембраной велико. Поэтому достаточно проанализировать поведение упрощенной схемы рис. для того чтобы понять действие компенсационной трубки. Скорость колебаний катушки (ток, текущий через может быть представлена как разность двух скоростей: образующейся под действием давления на диафрагму (сторона схемы), при замкнутой накоротко второй стороне (II) схемы, и образующейся под действием такого же давления на стороне II (т. е. на трубке) при короткозамкнутых зажимах Расчет дает для модуля результирующей скорости колебаний:

где добротность акустического резонанса, -Если бы отсутствовало звено, образованное компенсационной трубкой, то схема на низкой частоте имела бы вид, соответствующий рис. 4.19 г, и скорость движения диафрагмы определялась бы как

Таким образом, компенсирующая трубка увеличивает скорость движения, а следовательно, и чувствительность в отношении:

Эта величина резко возрастает вблизи частоты резонанса, образованного массой воздуха в трубке и гибкостью воздуха внутренних полостей микрофона и воротника катушки. Если то

Так как добротность акустического резонатора может быть сделана достаточно большой, то, выбрав достаточно низкой, можно компенсировать падение чувствительности микрбфона на низких частотах.