Elektroakustické a elektromechanické měniče s elektrickým polem

Elektroakustické a elektromechanické měniče s elektrickým polem

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

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

F u F i v u v i a11 a12 a21 a 22 Měniče se takto linearizují (docela realisticky), inverzní matice popisuje opačnou přeměnu

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: F u 1 i A v

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 i p u 1 i w

Teď jde o to, najít prvky matic A nebo na základě analýzy fyzikální podstaty elektroakustické nebo elektromechanické přeměny. Budou 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.

Měniče s elektrickým polem a klidová vzdálenost bez magnetického pole l klidová vzdálenost se statickým magnetickým polem

síla přitahující membránu k pevné elektrodě: 0 SE 2 F ws 2 pole má složky statické a dynamické: U0 u E d 0 S U 0 u F 2 d 2 2

úplný diferenciál: U u U u d df 0 S 0 2 du 0 S 0 3 d d 2 protože signálové veličiny jsou vždy mnohem menší než statické: u U 0 ; d substituce: 0 S C0 d U 0 C 0U 0 0 S 2 kb d d

1 F k bu v j cnb náboj na proměnném kapacitoru: q U 0 u C 0S C d C0 c nb 2 kb

náboj: 0S q U 0 u d derivace dle t (proměnné u, ): q 0 S u 0 S U0 u t d t d 2 t a opět: u U 0 ; d při použití výše uvedených definic: i j C 0 u k b v

náhradní schéma elektrostatické přeměny: převodní matice transformátoru F kb v 0 0 1 kb u i

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

Stabilita elektrostatického měniče Vratná síla elastoru stejná v obou případech FS = s(a-l)

Dva případy: s konstantním napětím s konstantním nábojem U F 0 SU 2l 2 0 2 2 U SU F U sn 0 3 0 l l q F q Q02 2 0 S sn 0

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/ C0, náboj je stálý (napětí se nestačí vyrovnat)

Elektrostatický reproduktor

Kmitočtová charakteristika elektrostatického reproduktoru Vyjdeme z náhradního obvodu elektrostatického reproduktoru, budeme stanovovat poměr px/p

z obvodu: Z av Z av vyzařovací impedance 1 j m a j c a 1 1 1 Z av rav j m av kombinací a úpravou: 1 1 1 1 j mav rav 1 j m a j ca

Elektrostatické reproduktory se používají jako A) malé vysokotónové reproduktory zde je vyzařovací hmotnost srovnatelná s akustickou hmotností membrány B) velké širokopásmové reproduktory vyzařovací hmotnost o hodně větší než akustická hmotnost membrány

Vyzařovací impedance

ad A) pod rezonančním kmitočtem (akustická hmotnost a poddajnost) je reaktance hmotnosti menší než reaktance poddajnosti. po zavedení: 1 mav c a 2 rv QV rv rav c a f f rv

1 1 1 1 j QV 2 pro << 1 roste přenosová charakteristika s 2 pro >> 1 je přenosová charakteristika konstantní (=1) pro = 1 se rovná přenosová charakteristika QV ( < 1 )

na horním konci charakteristiky je f>>fk a tedy vyzařovací hmotnost lze zanedbat jsme i nad rezonanční frekvencí, zanedbáme akustickou poddajnost oproti hmotnosti 1 1 h m a 1 j 1 j rav h

pro f <<f h je přenosová charakteristika konstantní pro f >>fh klesá přenosová charakteristika s -1 (-6db/okt) pro f=fh je přenosová charakteristika rovna 1/sqrt(2) (-3db/okt)

Ad B) v dolní části kmitočtového pásma je rav >> ma použitím: ma 1 1 mav K r1 1 ma mav ca r1 rav ca Q1 K dostaneme: K 1 1 1 1 2 j Q1

pro f << fr1 roste kmitočtová charakteristika s 2,+12dB/okt pro f >> fr1 je kmitočtová charakteristika rovna K pro f = fr1 je kmitočtová charakteristika rovna Q1K

v horní části kmitočtového pásma lze zanedbat vliv poddajnosti c K zavedeme 1 ma 1 j K rav rv 2 Kma

K 1 m a 1 j rav * kde m* je paralelní kombinace vyzařovací hmotnosti a akustické hmotnosti membrány

pro f << f2 je kmitočtová charakteristika rovna K pro f >> f2 je kmitočtová charakteristika rovna Krav/ ma pro f = fr1 je kmitočtová charakteristika rovna K/sqrt(2) fr1 20log(1/Q1) f2

nevýhoda elektrostatického reproduktoru polarizační napětí (až 5kV)

uspořádání elektrostatických sluchátek

Elektrostatický reproduktor

membrána materiál mylar 5-10 m silná

Dvojčinný elektrostatický reproduktor s konstantním nábojem

Přitažlivá síla na jednotku plochy membrány (tlak) při nulovém signálovém napětí p 0U 02 2 d 2 =0 velké výchylky velké zkreslení

Pokud je náboj konstantní, při vychýlení membrány o se sníží napětí úměrně d-, proto p není funkce výchylky, proto není zkreslení výchylkou: na jednotku plochy membrány působí z obou stran síly p1 a p2 1 1 D2 p ED 2 2 0

Elektrická indukce DdS Q Q D S přitažlivé síly na jednotku plochy na protilehlých stranách: 2 p1, 2 q Q0 1 2 1 2 2 Q Q q q 0 0 2 2 2 0S 2 0 S

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

konstrukce dvojčinného elektrostatického reproduktoru distanční vložky jsou vlákna z izolační hmoty

Uložení elektrostatického reproduktoru v ozvučnici

University of Warwick

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)

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

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

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

Miniaturní piezoelektrické měniče

Příklad piezorezistivního měniče na křemíkovém substrátu

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

elektrostatický měřící mikrofon nejrozšířenější princip, vynikající vlastnosti