Elektroakustické a elektromechanické měniče

Transkript

1 Elektroakustické a elektromechanické měniče

2 Elektroakustické a elektromechanické měniče Zařízení pro přeměnu energie elektromagnetického pole na energii pole akustického nebo naopak (reciprocita) vysílač u, i elektromechanický měnič F, v mechanicko akustický měnič přijímač elektroakustický měnič p, w

3 Kaskádní rovnice elektromechanického měniče F = f (u, i ) v = g (u, i ) Úplný diferenciál veličin F F df = du + di u i v v dv = du + di u i

4 F u F i v u v i = a11 = a12 = a21 = a22 Měniče se takto linearizují (docela realisticky), inverzní matice popisuje opačnou přeměnu

5 po integraci veličin se získá dvoubranový popis pomocí rovnic, které je možno zapsat v maticovém tvaru F u v = A i při popisu měniče jako přijímače se použije inverzní matice: u 1 F i = A v

6 V případě popisu elektroakustických měničů jako celku se modeluje přeměna z napětí a proudu na akustický tlak a objemovou rychlost či naopak. Princip výše uvedený stejný, pouze konstanty se jinak nazvou p u w = α i u i = α 1 p w

7 Teď jde o to, najít prvky matic A nebo α na základě analýzy fyzikální podstaty elektroakustické nebo elektromechanické přeměny. Jsou použity základní rovnice z elektromagnetického pole. Princip popisu: silové účinky magnetického nebo elektrického pole v pracovní mezeře měniče se vyjádří pomocí obvodových veličin. Tyto mají vždy stejnosměrnou (polarizační) a střídavou složku (superponovanou, je vždy menší). Situace se linearizuje a z dvojice rovnic se odvodí náhradní obvodové schéma.

8 Měniče s magnetickým polem Elektromagnetický měnič konstanta měniče: nφ 0 = ka d

9 u = jω L0i k a v 1 F = kai v jω c n kde L0 cn = 2 ka je negativní poddajnost Negativní poddajnost souvisí se stabilitou, musí být nějaká síla, která působí proti síle magnetického pole, aby nebyla kotva přitažena k magnetickému obvodu a zajistila se tak klidová poloha

10 použití prvku gyrátor s převodní maticí F 0 v = 1 ka ka 0 u i gyrátor je prvek invertující charakter impedancí v elektroakustice transformace i F, u v, L c, C m, R 1/r podélné prvky mění na příčné, sériové spojení na paralelní

11 náhradní schéma elektromagnetického měniče elektrická část mechanická část akustická část

12 Elektrodynamický měnič

13 síla působící na vodič v magnetickém poli df = i.d xb kolmost vektorů (konstrukce) zaručuje maximum F = B i

14 Φ = B η Φ η = B = B v = k a v t t konstanta měniče ka =Bl, B je magnetická indukce v mezeře a l je délka vodiče cívky

15 Elektroakustické měniče Zahrnuje se i popis přechodu z mechanické části systému na část akustickou ideální transformátor V některých případech se mechanická část zanedbá a popisuje se přímo elektro akustická přeměna.

16 Náhradní obvody elektroakustických měničů s magnetickým polem páskový mikrofon (tonmeister.ca)

17 Elektrodynamický reproduktor

18 komerčně nejpoužívanější typ reproduktoru patentován v roce 1924 (ale 1877 už byl předchůdce) uspořádání zůstává stále stejné vylepšování parametrů použitím jiných materiálů, popř. tvaru membrány pozice téměř neotřesitelná

19 Části elektrodynamického reproduktoru Membrána Kmitací cívka Magnet a magnetický obvod Středící zařízení Závěs Koš Former (někdy nebývá)

20 Terminologie Akustická osa (většinou totožná s geometrickou osou) směr, ve kterém nabývá směrová charakteristika maxima Ústí reproduktoru rovina ohraničená obvodem membrány (konvexní membrány) Referenční bod průsečík akustické osy a ústí

21 Princip funkce Na vodič (drát kmitací cívky) v magnetickém poli (vyvolaném magnetem a správně nasměrovaném pólovými nástavci), kterým protéká (signálový) proud působí síla F = i.(l x B) Vzhledem k orientaci vektorů (F, B a l) je součin maximální, tedy F = B i l

22 Náhradní schéma elektrodynamického reproduktoru u p

23 Elektrická část schématu Indukčnost kmitající cívky Odpor vodiče kmitající cívky

24 Mechanická část schématu Hmotnost kmitací cívky Mechanické tření kmitací cívky Hmotnost membrány Poddajnost membrány Tlumení membrány Poddajnost závěsu a středícího zařízení Tlumení závěsu a středícího zařízení

25 Akustická část schématu Vyzařovací impedance Akustická impedance případně akustické soustavy na zadní straně membrány (ozvučnice)

26 Transformace elektrické strany na mechanickou Ideální gyrátor F = (Bl) i u = (Bl) v Transformace mechanické strany na akustickou Ideální transformátor p = F/S w = v.s

27 Vstupní elektrická impedance elektrodynamického reproduktoru rezonanční kmitočet jmenovitá impedance (4, 6, 8, 16, 32 Ω)

28 Směrová charakteristika Závislost (hladiny) akustického tlaku na úhlu mezi akustickou osou a spojnicí bodu měření a referenčního bodu na nízkých kmitočtech se blíží ke kulové charakteristice, pak směrování

29 Konstrukce elektrodynamického reproduktoru Kmitající cívka Delší než vzduchová mezera Kratší než vzduchová mezera Pro zajištění linearity

30 Materiály na výrobu membrány Papír Umělá hmota Kevlar (Du Pont) Kov každý má výhody nevýhody, použití je vždy kompromis liší se hlavně hmotností a tuhostí

31 Tvar membrány Kónický Parabolický (rotační) Exponenciální (rotační) Vliv na vyzařovací charakteristiku, míru turbulencí

32 Uspořádání magnetického obvodu Prstencový magnet Válcový magnet Pólové nástavce musí vždy zaručit kolmost pole, výchylky a proudovodiče pro maximální účinnost systému

33 Hodnoty indukce v mezeře dříve zlomky Tesla dnes bežně jednotky Tesla možnost T

34 Koš reproduktoru Otevřený (s otvory) Uzavírající membránu zezadu

35 Rozdělení reproduktorů podle kmitočtového pásma hlubokotónové ( Hz) subwoofery ( Hz) středotónové ( Hz) vysokotónové ( Hz) širokopásmové ( Hz)

36 Proč se dělají reproduktory pro různá kmitočtová pásma? kmitočtová závislost citlivosti na parametrech parametry závislé na konstrukci optimalizace

37 Nízkotónový reproduktor extrémně až sub-woofer velmi poddajný závěs, aby membrána mohla vykonávat velké pístové výchylky

38 Středotónový reproduktor středotónové reproduktory ( Hz) (squawker). Membrána buď kulový vrchlík (závěs a kmitací cívka na jeho obvodu) nebo krátký, velmi rozevřený kužel (kmitací cívka na menším průměru, závěs na větším průměru)

39 Vysokotónový reproduktor membrána a kmitací cívka jsou velmi lehké aby se umožnil rychlý pohyb závěs a středící zařízení jsou tuhé, aby se potlačily nízké kmitočty sférický tweeter (z potažené textílie, tenkého kovu ) páskový tweeter (tenká hliníková folie v mag. poli) též jiné principy piezo, elektrostatický,.. často s vlnovodem (impedanční přizpůsobení)

40 Výroba reproduktorů soustředěna do několika málo světových výroben, které zásobují všechny firmy není plně automatizovaná, velký podíl ruční práce

41

42

43

44

45 Ozvučnice hlavní účel: zabránit akustickému zkratu (nf) dále vylepšení citlivosti, její kmitočtové tvarování ideální ozvučnice nekonečná rovinná

46 Uzavřená ozvučnice modeluje se (na nízkých kmitočtech!!!) pomocí akustické poddajnosti, případně akustického odpor, pokud je v objemu nějaký ztrátový materiál přidáním poddajnosti (objemu) do systému se posune rezonanční kmitočet soustavy

47 Bassreflexová ozvučnice využití nf energie vyzařované do ozvučnice naladění bassreflexu hmotností a poddajností rozšíření kmitočtového pásma směrem k nižším kmitočtům strmější pád citlivosti k na nízkých kmitočtech

48 Pasivní zářič princip bassreflexu, hmotnost a odpor vzduchu v trubici jsou nahrazeny hmotností a odporem membrány konstrukce pasivního zářiče je stejná jako reproduktoru, jen chybí kmitací cívka a magnet. Do středu membrány se přidává hmotnost, kterou se systém ladí.

49

50 tlakový reproduktor transformace rychlosti

51 Reproduktorové výhybky Reproduktory jsou optimalizovány na kmitočtová pásma Pro obsažení celého akustického pásma potřebujeme dodat do reproduktorů kmitočtová pásma, na která jsou konstruovány Reproduktorové výhybky elektrické filtry, většinou pasivní

52

53 Měniče s elektrickým polem ε 0S C0 = d U 0 C 0U 0 ε 0S 2 = = kb d d konstanta měniče

54 Náhradní schéma elektrostatického měniče (jednočinného) elektrická část mechanická část akustická část při použití měniče jako vysílač se zatíží akustická brána vyzařovací impedancí, v případě použití jako přijímače se měnič zatíží impedancí zesilovače

55 C polarizační střídavé kapacita měniče Kondenzátor C mezi měničem (proměnná kapacita) a výstupními svorkami zajišťuje, že se polarizační napětí nedostane do zesilovače - R=0, na pevných elektrodách je stále polarizační napětí, i když se mění kapacita - R je velké oproti 1/ωC0, náboj je stálý (napětí se nestačí vyrovnat)

56 Elektrostatický reproduktor

57 uspořádání elektrostatických sluchátek

58 Elektrostatický reproduktor

59 Dvojčinný elektrostatický reproduktor s konstantním nábojem

60 celkový rozdíl sil působících na membránu v elektrostatickém reproduktoru je p1 p 2 = k β u což NEZÁVISÍ na výchylce

61 elektrostatický měřící mikrofon nejrozšířenější princip, vynikající vlastnosti

62 University of Warwick

63 Piezoelektrické měniče využívají piezoelektrického jevu indukce elektrického náboje při stlačení materiálu či změna rozměrů po přiložení napětí (způsobeno prostorovou nehomogenitou náboje v látce) 1880, Pierre a Jacques Curie princip měniče s elektrickým polem, dielektrikem však není vzduch množství módů orientace pole a výchylek (tloušťkové a střižné)

64 Piezoelektrické měniče jsou - jednoduché - levné - přesnost postačí pro řadu běžných aplikací - variabilní

65 Stavové rovnice piezoelektrických látek d, g, e, h piezoelektričtí činitelé T mechanické napětí S deformace E intenzita elektrického pole D elektrická indukce ε permitivita β impermitivita c moduly tuhosti s moduly poddajnosti.tenzory! S = s E.T + t d.e D = d.t + ε T E S = s D.T + t g.d E = g.t + β.d T = c E.S t e.e D = e.s + ε S E T = c D.S t h.d E = h.s + β S.D

66 Piezoelektrické látky krystalické: oxid křemičitý, trioxid lithno-niobičitý, trioxid lithno-tantaličitý, sulfid kademnatý keramika: tuhé roztoky PbZrO3 a PbTiO3 (PZT-4, PZT-5) polymery: PVC, PVF, PVF2

67

68 Miniaturní piezoelektrické měniče

69 Piezoplastické měniče fólie s piezoelektrickými vlastnostmi nutno ohnout, aby se předávaly kmity plynnému prostředí