6. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ (КОНДЕНСАТОРНЫЕ) ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Электростатические ЭАП основаны на возникновении сил электростатического притяжения между заряженными обкладками конденсатора и на изменении напряжения на заряженном конденсаторе при изменении его емкости в результате колебания расстояния между обкладками.

Для того чтобы преобразователь мог работать без искажения формы входного сигнала, т. е. обладал необходимой линейностью, к его обкладкам прикладывается постоянное напряжение значительно большее по абсолютной величине, чем амплитуда переменного напряжения возникающего при колебаниях расстояния между обкладками

Сила притяжения, создаваемая постоянным напряжением, компенсируется натяжением устанавливающей пружины (подвеса) или мембраны.

Переменная сила от внешнего воздействия, воспринимаемая подвижной обкладкой, уравновешивается двумя составляющими: переменной силой реакции подвижной части (обусловленной ее инерционной массой, упругостью подвеса, упругостью газа в объеме под подвижной обкладкой и механическим диссипативным коэффициентом) и переменной силой электростатического притяжения При малых отклонениях

где — механическое сопротивление;

— скорость колебаний подвижной части;

— среднее расстояние между обкладками;

I — переменный ток, соответствующий переменному заряду, возникающему при колебаниях.

Путем рассуждений, аналогичных проведенным выше, первое из уравнений (XI 1.2) для переменных напряжений можно привести к виду:

где емкость конденсаторного преобразователя в покое;

— сопротивление, через посредство которого на преобразователь подается переменное напряжение (сопротивление нагрузки преобразователя).

Тогда частотная характеристика преобразователя принимает вид:

где — механическое сопротивление подвижной части преобразователя (при

— сопротивление нагрузки переменному току.

При наличии разделительного конденсатора в цепи нагрузки преобразователя значение его емкости выбирается достаточно большим, чтобы в рабочем диапазоне частот нагрузку можно считать чисто активной:

При обычных значениях параметров преобразователя второе слагаемое в знаменателе в выражении (XII. 17) («внесенное сопротивление реакции» электрической цепи) мало, поэтому чувствительность преобразователя

где — площадь мембраны (диафрагмы);

— электрическая постоянная времени преобразователя.

Эквивалентная электрическая схема конденсаторного микрофона приведена на рис. XI 1.7, а (штриховыми линиями показана эквивалентная схема нагрузки, создаваемой входным каскадом усилителя).

Для того чтобы в заданном диапазоне частот получить частотнонезависимую чувствительность, необходимо соблюсти условие а сопротивление подвижной части выполнить достаточно гибким, Для этого собственная частота подвижной части должна быть существенно выше верхней частоты рабочего диапазона. Тогда, учитывая, что

где М — масса подвижной части, найдем

При достаточно низких частотах реактивное емкостное сопротивление преобразователя для электрической цепи становится

очень большим по абсолютной величине по сравнению с При этих условиях входное сопротивление

Таким образом, электрическое поле поляризации, создаваемое напряжением уменьшает результирующее упругое сопротивление подвижной части, что накладывает определенное ограничение на выбор его значения при проектировании преобразователя.

Напротив, упругость воздуха в зазоре между подвижной и неподвижной обкладками увеличивает результирующее упругое сопротивление подвижной части, что ограничивает возможность увеличения чувствительности за счет уменьшения рабочего зазора.

Рис. XI 1.7. Электростатические ЭАП: а — эквивалентная схема электростатического преобразователя; б — схема устройства конденсаторного микрофона направленного действия [1 — неподвижная часть (обкладка конденсатора); 2 — подвижная обкладка; 3 — выемка;

4 — сквозное отверстие; 5 — выводы]; в — схема устройства электретного конденсаторного микрофона (1 — неподвижная обкладка; 2 — мембрана из электрета толщиной 0,1 мм с напыленной снаружи металлической пленкой; 3 — опорный шарик; 4 — выводы; 5 — изоляция)

Для преодоления влияния упругости воздуха применяют неподвижный электрод с отверстиями, или пазами (см., например, относящийся к акустическому приемнику направленного действия). Система из выемок и отверстий образует акустический фильтр, причем объемы воздуха в выемках создают гибкость, а в каналах — акустическую массу. Соответствующим выбором запаздывания в этом фильтре можно обеспечить диаграмму направленности приемника, близкую к кардиоиде. Действительно, для малых отклонений разность давлений, действующих на первую из диафрагм (в случае

и на вторую

При соответствующем выборе постоянного смещения (поляризующего напряжения) на подвижной обкладке второй диафрагмы приемник будет обладать кардиоидной характеристикой направленности. Для согласования с волновым сопротивлением акустического фильтра и обеспечения неизменности формы характеристики направленности в достаточно широком диапазоне частот, у такого преобразователя должно преобладать вязкое акустическое сопротивление между диафрагмой и неподвижной частью, что достигается применением гибких диафрагм.

Практические области использования конденсаторных приемников ограничиваются из-за необходимости применения значительного постоянного напряжения смещения (сотни вольт), а следовательно, и соответствующего источника питания, что особенно существенно в портативной или в бортовой миниатюрной аппаратуре, в телефонии и др. В этом отношении явным преимуществом обладает электретный конденсаторный микрофон (рис. XII. 7, в), у которого подвижной обкладкой служит листок электрета (например, поляризованного фтористого углерода) с нанесенной на него металлической пленкой; такой микрофон не нуждается в источнике питания. Срок службы его без смены электрета около 10 лет.