Kapitola 7: Návrh soustavy mikrofontransformátor

Transkript

1 Kapitola 7: Návrh soustavy mikrofontransformátor Transformátor u páskového mikrofonu provádí přizpůsobení nízké impedance pásku na úroveň vhodnou k zesílení. Mezi páskem a transformátorem je dosti silná vazba a proto musíme k úkolu přistupovat jako k návrhu nerozdělitelného systému. V nejstarších návrzích páskového mikrofonu se zpravidla ani neuvažovalo o rozdělení pásku a transformátoru. Veškerá měření byla prováděna za přizpůsobovacím transformátorem na impedancích 30,50 a 200 ohmů. Šlo většinou o měření zisku (tedy dílčích rezonancí) ve vzduchu, vakuu, vodíku, nebo fluoridu sírovém *, případně o jednoduchá měření impedance pomocí vnějšího velkého ** rezistoru. Měření pásku samotného realizoval až M.L. Gayford /11/ pomocí následujícího můstku: Můstek má dvojí nesymetrii 1000:1 v každé větvi a 6:100 mezi větvemi navzájem. Od jednoduchého Wheatstoneova můstku se liší přidáním kondenzátorů. Kondenzátor v pravé větvi slouží k vyrovnání vlivu parazitní indukčnosti přívodů pásku a vlastního můstku. Kondenzátor napájející můstek má za účel usnadnit měření. Pohyb membrány má být řízen hmotností v celém přenášeném kmitočtovém rozsahu. Tato hmotnost je na elektrické straně viděna jako kapacita. Impedance kapacity se však s rostoucím kmitočtem snižuje a tento pokles musí být kompenzován zvyšováním napětí buzení můstku. Napájecí kapacita to dělá automaticky. *) Vzduch a vodík jsou dvojatomové plyny a liší se ve specifické hmotnosti, fluorid sírový je sedmiatomový plyn./7/ **) Velký znamená, že modul jeho impedance je minimálně o řád větší, než modul impedance měřené.

2 Výše popsaný můstek není vhodný pro stavbu. Kapacita 1 nf je příliš nízká a zbytečně zvyšuje útlum můstku. Pro zvolené hodnoty součástek a pásmo kmitočtů do 15 khz postačí budící kapacita 10 nf. Napětí na výstupu je velmi slabé. Je proto výhodné před milivoltmetr zařadit transformátorový* nízkošumový předzesilovač. Schéma celého můstku je na dalším obrázku: Protože vyvážení můstku je po připojení měniče velmi obtížné (jde o nastavení tří prvků), je lépe začít s přemostěním budící kapacity. Vyvažování: Naladíme generátor do pásma nejvyšších kmitočtů. Snažíme se potenciometry naladit minimum výstupního napětí. Pokud minimum nalezneme a oba potenciometry jsou ve střední poloze, je můstek nastaven. Potom změnou hodnot přepínaného odporu se snažíme vyhledat minimum minim. Pokud toho nelze dosáhnout, přepneme kondenzátor. Pokud máme můstek naladěn, mělo by se napětí na výstupu zvyšovat při snižování kmitočtu generátoru se strmostí 6 db/oct. Potom odpojíme přemostění napájecí kapacity. Výstupní napětí by mělo být s malým zvlněním nezávislé na změně kmitočtu. To je výchozí stav pro měření impedance pásku na mechanické straně.pečlivé naladění můstku na nový měnič trvá cca 1 hodinu. *) Transformátor nemusí být špičkový (je napájen dosti tvrdě), měl by být však stíněn a astatizován. Autor použil pro snadnou dostupnost linkový (600 ohmů) transformátor TESLA se zapojením sekcí na převod 1:2, pracující do Millerova odporu zesilovače.

3 Vnější vzhled můstku je na dalším obrázku: Můstek byl použit pro studium vlivu reaktance transformátoru na změnu dolní rezonance pásku. Pro tento účel byla zhotovena proměnná indukčnost na permalloyovém toroidním jádře:

4 Maximální indukčnost proměnné cívky byla 15,5 milihenryů, což odpovídalo vlastnostem jádra (efektivní permeabilita ). Celkový odpor vinutí byl 200 miliohmů. Protože návrh transformátoru je kompromisem mezi dosažením nízkého šumového čísla a nízké rezonance pásku, bylo provedeno měření pásku naprázdno a pro několik hodnot připojené indukčnosti. Výsledky tohoto měření uvádí následující graf: Na obrázku je patrný vliv připojené indukčnosti na polohu dolní rezonance pásku. Černá čára je stav bez připojené indukčnosti. Rezonance pásku se nachází pod akustickým pásmem. Řídce přerušovaná čára ukazuje vliv nízké indukčnosti (1,7 mh), který se projeví jako snížení poddajnosti pásku. Čerchovaná čára ukazuje vliv vysoké připojené indukčnosti (9,1 mh). Použití takové indukčnosti vede k zbytečně vysokému šumovému číslu transformátoru. Jako optimum byla shledána hodnota 3,9 mh (hustě čárkovaná čára). Zajímavé je minimum ve středním kmitočtovém pásmu. Toto minimum je způsobeno štěrbinou mezi páskem a magnety. Platí, že čím je tato štěrbina menší, tím má mikrofon lepší vlastnosti; je však také choulostivější. Dobře usazený pásek by neměl mít mezeru větší, než je desetina milimetru. Pro analýzu vlivu usazení pásku je nutné podrobné analogické schéma soustavy mikrofon - transformátor a měření ve vakuu. Charakteristika v horním kmitočtovém pásmu je způsobena nevhodným tvarem magnetického obvodu a také těžším naladěním můstku v této oblasti. Po vyřešení komplikací s vakuovou aparaturou, které spočívaly ve výměně oleje a stavbě ochranného krytu, bylo přistoupeno k vývoji vhodné vakuové průchodky. * Standardní průchodky se vyrábějí jako skleněné zátavy nebo soustavy vodičů zalité speciálním epoxidem. Autorem navržená průchodka umožňuje použití běžné epoxidové pryskyřice a současně má nízký odpor a dobré astatické vlastnosti. Konstrukce vychází ze spletení vodičů průchodky ve tvaru pomlázky **, které je vlepeno do stupňovitě vrtaného šroubu. Soustava má malou kapacitu a dobrý styk vodiče s epoxidem. *) Po konzultacích s ing.josefem Sedláčkem. Ten označil výrobu průchodky bez použití speciálních materiálů za nemožnou. **)Velmi srozumitelná práce přední české etnografky: Vondrušková, A.: České zvyky a obyčeje, Albatros,Praha 2004 p. 128: Proutky se rozdělí na sudé a liché čtyři vpravo a čtyři vlevo. Pracuje se vždy s nejvrchnějším proutkem, jednou z levé strany a jednou zprava, vkládají se mezi dvojice na protější straně, provléknou a vrátí do čtveřice jako nejspodnější.

5 Cekový pohled na vakuovou průchodku před i po dokončení je zde. (připomínám, že šroub je v desce po obvodu utěsněn prstencem z měkké olověné pájky): Byla použita polská jednostupňová olejová rotační vývěva (výrobce Koszalin). Použitý skleněný zvon neodpovídá podmínkám bezpečnosti práce proto byl zhotoven nový ochranný plechový kryt: Výsledky z měření ve vakuu jsou velice důležité, neboť z nich je možné udělat si představu o poměrech mechanických a akustických veličin a výsledek zakreslit do grafu tak, jak to navrhl Olson /21/. Měření bylo provedeno stejně jako ve vzduchu.pásek byl měřen jak naprázdno, tak s indukční zátěží. Řídící tlumivka byla nastavena na hodnotu, shledanou ve vzduchu jako nejvýhodnější. Pro těsnění aparatury byl použit čistý lanolin, který se velmi osvědčil.

6 Legenda: trojúhelník: ve vakuu na prázdno, křížek: ve vakuu s tlumivkou 3,9 mh ; kolečko: ve vzduch naprázdno, čtvereček: ve vzduchu s tlumivkou. Z obrázku je jasně patrné, že použití vakua velmi sníží tlumení pásku a také odsune první rezonanční maximum výše. Použití tlumivky ve vakuu zvýší rezonanční kmitočet pásku, ale citelně jen v první rezonanci Sníží též dosti jeho jakost. Současně nám tlumivka umožní měřit první minimum ve vzduchu a také stanovit elektrické parametry absolutně.