Акустические характеристики микрофонов

Приемники давления.

Звуковое давление действует только на одну сторону (подвижная механическая система – диафрагма открыта с одной стороны).

Для схемы, приведенной на рис 12.2 F=pS – сила, действующая на диафрагму, S=F/p – акустическая чувствительность, S – поверхность подвижной системы микрофона. Здесь d – максимальный размер микрофона; l - длина волны (преимущественная для данного микрофона).

Рис. 12.2. Схематическое изображение приемника давления.

Если d << l, то характеристика направленности представляет собой сферу, микрофон будет ненаправленным.

Если d > l, тогда . Давление удваивается из-за отражений от поверхности.

Поэтому чем больше размеры микрофона по отношению к длине волны, тем характеристика направленности острее.

Свойства ненаправленности хорошо соблюдаются для НЧ и средних частот, где d/l - мало.

К высоким частотам микрофон приобретает направленность. Ненаправленный микрофон в диапазоне до 10 кГц (l = 3,4 см) имеет размеры d< 1,7 см.

Рис. 12.3. Диаграмма направленности приемника.

1 – d/l = 0,1; 2 – d/l = 0,5; 3 – d/l =2,0

Приемники градиента давления различных порядков.

Приемник имеет подвижную механическую систему, которая открыта с двух сторон и поэтому на приемник действует разность давлений с взаимным сдвигом фаз Dj . Приемники градиента давления делятся на симметричные и ассиметричные.

Рис.12.4. Приемник градиента давления

p_ф– давление, действующее на фронт поверхности диафрагмы (pф @ p – давление в поле, т.к d<l); p_T – давление, действующее на тыльную поверхность диафрагмы; р_р= p_ф - p_T – результирующе давление получается вследствие разности хода звуковых волн; Dr=d*cos – разность хода лучей; p – давление в свободном звуковом поле.

Акустическая чувствительность такого приемника определяется

, (12.16)

разность фаз между обеими волнами определяется

, (12.17)

где ; d – толщина диафрагмы и дополнительный путь, пройденный волной.

, (12.18)

Рис.12.5. Диаграмма направленности приемника градиента давления

Приемники градиента давления делятся на симметричные и асимметричные.

При симметричном доступе волн к передней и тыловой сторонам диафрагмы, направленность микрофона должна иметь симметричный характер с косинусоидным распределением чувствительности. E максимально при q = 0°, 180°, минимально при 90°, 270°. Такой микрофон двунаправленный

С увеличением l уменьшается F, значит, на низких частотах чувствительность микрофона падает. Т.е. у микрофона появляется избирательность по отношению к НЧ, тембр принимаемого сигнала изменится. Избавиться от этого можно применяя фильтрующие цепи. Если мы удлиним разность хода лучей, то есть увеличим путь для волн, то получим дополнительное затухание волн, а следовательно увеличим разностное (результирующее) давление. Это частично компенсирует спад чувствительности на НЧ. При малых расстояниях от источника звука волны не плоские, а сферические, P возрастает, тогда F еще больше возрастает

(ближе 1 м), вызывая эффект подчеркивания НЧ – микрофон «бубнит». В области ВЧ а нарушается синфазность приема, Е падает. Для выравнивания – взаимная коррекция отдельных звеньев, выбор расстояния.

Есть еще приемник градиента давления 2 порядка – сдвоенный приемник градиента давления 1 порядка. На сдвоенную диафрагму действует разность от разности давлений, действующих на каждую диафрагму. . Характеристика направленности – квадрат косинусоиды.

Асимметричный приемник градиента давления

Диафрагма находится под воздействием разности давлений, действующих на лицевую и тыльную сторону. Сдвиг фаз обусловлен разностью хода звуковых волн.

а)

Рис.12.6.

Асимметричный приемник градиента давления

Разность хода лучей Dr состоит из 2-х участков: d1 – внешний; d2 – внутренний; d – осевой размер. . - общая разность хода, d₂ . На рис. 12.6 показаны Dr для случая падения звуковой волны по оси, под углами 90° и 180°.

Сдвиг фаз между фронтальной и тыльной звуковыми волнами будет максимальным при падении по оси и почти равен нули при приходе сзади. Приемник обладает разной чувствительностью для фронтального и тыльного прихода звуковой волны. Диафрагма находится под воздействием разности давлений фронт/тыл. Сдвиг фаз обусловлен разностью хода лучей, который состоит из двух участков d₂ – внутреннего и d₁ – внешнего.

, (12.19)

, (12.20)

, (12.21)

Асимметричный приемник имеет кардиодную ХН. Это следует из анализа акустической чувствительности.