Пьезоэлектрический микрофон: принцип работы, особенности и применение

Что такое пьезоэлектрический микрофон. Как работает пьезоэлектрический эффект в микрофоне. Каковы преимущества и недостатки пьезомикрофонов. Где применяются пьезоэлектрические микрофоны.

Что такое пьезоэлектрический микрофон и как он работает

Пьезоэлектрический микрофон — это тип микрофона, работа которого основана на пьезоэлектрическом эффекте. Данный эффект заключается в возникновении электрического заряда на поверхности некоторых кристаллов при их деформации.

Основные компоненты пьезоэлектрического микрофона:

• Пьезоэлектрический кристалл (чаще всего используется сегнетова соль)
• Диафрагма, передающая звуковые колебания на кристалл
• Корпус микрофона

Принцип работы пьезомикрофона можно описать следующим образом:

1. Звуковые волны воздействуют на диафрагму микрофона
2. Колебания диафрагмы передаются на пьезоэлектрический кристалл
3. При деформации кристалла на его поверхности возникает электрический заряд
4. Величина заряда пропорциональна силе воздействия на кристалл
5. Изменяющийся заряд преобразуется в электрический сигнал

Таким образом, пьезомикрофон напрямую преобразует механические колебания звуковой волны в электрический сигнал без использования дополнительных преобразователей.

История создания пьезоэлектрического микрофона

Пьезоэлектрический микрофон был изобретен в 1925 году советскими учеными С.Н. Ржевкиным и А.И. Яковлевым. Это стало важным этапом в развитии микрофонных технологий.

Ключевые этапы в истории пьезомикрофонов:

• 1880 г. — открытие пьезоэлектрического эффекта братьями Кюри
• 1925 г. — создание первого пьезоэлектрического микрофона
• 1930-е гг. — начало промышленного производства пьезомикрофонов
• 1940-50-е гг. — широкое применение в гидрофонах
• 1960-70-е гг. — использование в бытовой электронике

Изобретение пьезоэлектрического микрофона позволило создать компактные и недорогие устройства для записи звука, что способствовало развитию звукозаписывающей индустрии.

Преимущества и недостатки пьезоэлектрических микрофонов

Как и любая технология, пьезоэлектрические микрофоны имеют свои сильные и слабые стороны. Рассмотрим основные преимущества и недостатки данного типа микрофонов.

Преимущества пьезомикрофонов:

• Простая и надежная конструкция
• Компактные размеры
• Низкая стоимость производства
• Высокая чувствительность
• Не требуют внешнего источника питания
• Устойчивость к механическим воздействиям

Недостатки пьезоэлектрических микрофонов:

• Неравномерная амплитудно-частотная характеристика
• Ограниченный частотный диапазон
• Высокий уровень собственных шумов
• Чувствительность к изменениям температуры
• Нелинейные искажения при высоких уровнях звукового давления

Несмотря на недостатки, простота конструкции и низкая стоимость делают пьезоэлектрические микрофоны востребованными в ряде областей применения.

Области применения пьезоэлектрических микрофонов

Благодаря своим уникальным свойствам, пьезоэлектрические микрофоны нашли применение во многих сферах. Рассмотрим основные области их использования.

Гидроакустика

Пьезомикрофоны широко применяются в гидрофонах — устройствах для записи звука под водой. Их использование позволило записать сверхнизкочастотные звуки морских обитателей, что значительно расширило наши знания о подводном мире.

Музыкальные инструменты

Пьезоэлектрические датчики часто используются в звукоснимателях для акустических гитар и других струнных инструментов. Они позволяют усиливать звук инструмента, сохраняя его естественное звучание.

Бытовая электроника

В бытовой технике пьезомикрофоны применяются в различных устройствах:

• Телефоны
• Домофоны
• Слуховые аппараты
• Игрушки с функцией записи голоса

Измерительное оборудование

Высокая чувствительность пьезоэлектрических микрофонов делает их незаменимыми в различных измерительных приборах:

• Шумомеры
• Виброметры
• Анализаторы спектра

Системы безопасности

Пьезомикрофоны используются в некоторых типах датчиков разбития стекла и других охранных системах.

Сравнение пьезоэлектрических микрофонов с другими типами

Для понимания особенностей пьезоэлектрических микрофонов полезно сравнить их с другими распространенными типами микрофонов.

Пьезоэлектрические vs динамические микрофоны

Основные отличия:

• Принцип работы: пьезоэффект vs электромагнитная индукция
• Чувствительность: выше у пьезомикрофонов
• Частотный диапазон: шире у динамических
• Прочность: пьезомикрофоны более устойчивы к механическим воздействиям

Пьезоэлектрические vs конденсаторные микрофоны

Ключевые различия:

• Необходимость питания: пьезомикрофоны не требуют, конденсаторные — да
• Качество звука: выше у конденсаторных
• Стоимость: пьезомикрофоны дешевле
• Чувствительность к влажности: выше у конденсаторных

Выбор типа микрофона зависит от конкретной задачи и условий применения. Пьезоэлектрические микрофоны имеют свою нишу, где их преимущества наиболее востребованы.

Перспективы развития пьезоэлектрических микрофонов

Несмотря на то, что пьезоэлектрические микрофоны были изобретены почти 100 лет назад, они продолжают развиваться. Рассмотрим некоторые перспективные направления их совершенствования.

Улучшение частотных характеристик

Ведутся работы по расширению частотного диапазона пьезомикрофонов и выравниванию их амплитудно-частотной характеристики. Это позволит улучшить качество записываемого звука.

Применение новых материалов

Исследования в области новых пьезоэлектрических материалов могут привести к созданию микрофонов с улучшенными характеристиками. Например, использование пьезоэлектрических полимеров может снизить нелинейные искажения.

Миниатюризация

Развитие нанотехнологий открывает возможности для создания сверхминиатюрных пьезоэлектрических микрофонов. Это может найти применение в медицине, робототехнике и других высокотехнологичных областях.

Интеграция с цифровыми технологиями

Разрабатываются пьезомикрофоны со встроенными аналого-цифровыми преобразователями, что позволит напрямую получать цифровой сигнал без дополнительных устройств.

Развитие технологий пьезоэлектрических микрофонов продолжается, что позволяет рассчитывать на появление новых интересных применений этих устройств в будущем.

Пьезоэлектрический микрофон работает благодаря…

Эта модель микрофона была изобретена советскими учеными С.Н. Ржевкиным и А.И. Яковлевым в 1925 году. При помощи этого микрофона, преобразованного в гидрофон, были записаны сверхнизкочастотные звуки, издаваемые жителями морских глубин.

Пьезоэлектрический микрофон работает благодаря особым свойствам его пьезоэлемента – кристалла. В чем же проявляется пьезоэлектрический эффект? Некоторые кристаллы при их деформации или изменении формы на своей поверхности создают электрические заряды, величина которых пропорциональна деформирующей силе. В микрофоне к кристаллу прикреплена диафрагма, в которую ударяют звуковые волны, в результате этого на кристалле возникают напряжения, изменяющиеся в соответствии с изменением звукового давления. В микрофонах чаще всего используют искусственно выращенные кристаллы сегнетовой соли, так как она обладает высоким пьезоэлектрическим эффектом. Основной элемент этих микрофонов – специально вырезанные пластины этого кристалла. Кристалл очень хрупкий – даже от малейшей трещинки начинает рассыпаться, или может испортиться, если микрофон полежит на солнце. Во избежание подобного кристалл покрывают защитным слоем лака.

Хотя такие микрофоны относительно дешевые, они прихотливы и невысокого качества. Из-за механики процесса передачи звука на пластину кристалла звуковая частотная характеристика получалась нелинейной. Но есть и высококачественные пьезоэлектрические микрофоны. В них сама кристаллическая пластина является мембраной, таким образом, удается избежать потери качества звука при передаче колебания звуковой волны. И такие безмембранные пьезомикрофоны использовались в измерительных устройствах – шумомерах.

На практике пьезомикрофоны не дотягивают до акустических и эксплуатационных требований, предъявляемых к профессиональным микрофонам на студиях звукозаписи. Но благодаря их небольшой стоимости, простоте устройства и небольшим размерам, их применяют в любительской аппаратуре.

• Назад
• Вперед

«,»

«], margin:10, responsiveClass:true, responsive:{ 0:{ items:1 }, 600:{ items:3 }, 1000:{ items:5, loop:false } } }) })

Наши партнеры

«,»

«], margin:10, responsiveClass:true, responsive:{ 0:{ items:1 }, 600:{ items:2 }, 1000:{ items:3, loop:false } } }) })

Отзывы

Наталия

Великолепная студия для записи голоса! Прекрасно оборудована! Отдельно хочу отметить доброжелательный персонал))))

Natalis

Качество записи на самом высоком уровне. Очень довольна работой студии звукозаписи Интервал.

Влада

Очень интересная планировка самой студии,была в подобной впервые,оказалось очень даже удобно и комфортно) Руки и уши звукорежиссёра Юрия очень опытные) Работа была проведена на высшем уровне,быстро,но без суеты и очень качественно! Весь материал был сделан четко по договоренности,что тоже очень важно! Добавила эту студию в свой список и буду советовать другим,кому удобен этот район) Добираться удобно как и на машине,так и своим ходом)

Яна

записывали аудио сопровождение к свадебной церемонии, всё сделали без задержек. Попросили кое-что отредактировать в аудио файле, и Юрий без проблем всё сделал. Юрий, спасибо, с вами было приятно работать.)

Анна

Оень понравилось записываться в студии звукозаписи Интервал.очень довольна работой с этой студией!!! А главное материал получился высокого качества!!

Михаил

Звукорежиссёр Юрий — настоящий профессионал, специалист высокого класса и, к тому же, добросовестный исполнитель и очень приятный человек. Все было сделалано (обработка и сведение — непростое и ответственное дело — кто сталкивался с этим, тот знает) качественно и быстро. Огромное ему спасибо (!) Рекомендую эту студию.

Юлия

Звукорежиссер Юрий Румянцев воплощает самые смелые творческие задумки. Аранжировщик от Бога делает Ваш проект уникальным! Демократичные цены дарят возможность сотрудничества «вдолгую»

Nisowguy

Отличная студия! Очень понравилось работать с Юрием, конечный результат записи песни оказался лучше, чем ожидалось. В дальнейшем планирую сотрудничать только с этой студией.

«,»

«], margin:10, responsiveClass:true, responsive:{ 0:{ items:1 }, 600:{ items:3 }, 1000:{ items:4, loop:false } } }) })

Еще услуги

Подарочные сертификаты

Аранжировка песни

Запись песни под минус

Съемка музыкальных клипов

Запись вокала

Запись песни в подарок

Тюнинг и правка вокала

Аудио-реклама

Запись песни на свадьбу

Запись текста, блога

Записать подкаст

Принцип работы микрофона: описание, характеристики

Содержание

Направленность φ — Способность микрофонного устройства реагировать на звуки в зависимости от расположения в пространстве звукового источника и направление прихода волн определяется специальным параметром направленности. Она показывает изменения чувствительности при смене направлений, по которым звуковые волны идут к чувствительному элементу.

В водной части этой темы можно добавить то, что сегодня используется несколько типов микрофонов: конденсаторный, угольный, динамический, электретный, динамический с катушкой, пьезоэлектрический и их все возможные разновидности. Их внутреннее устройство и принцип работы мы изучим чуть позже, а сейчас остановимся на истории изобретения.

Еще в 1856 году ученый Дю Монсель в своих работах показал, что графитовые электроды даже при малом изменении площади соприкосновения проводников, существенно изменяют свое внутреннее электрическое сопротивление. Первый угольный микрофон придумал, чуть позже американец Эмиль Берлинер, представив свое изобретение в большой мир 4 марта 1877 года на основе угольных стержней.

Годом позже другой американец Дэвид Эдвард Хьюз при модернизации этой конструкции, прикрепил к одному заостренному угольному стержню мембрану.

Пару годков спустя известный экспериментатор Томас Эдисон усовершенствовал эту конструкцию, применив вместо угольных стержней порошок из этого же вещества. Кстати именно такой тип устройтва (с угольным порошком внутри) до сих пор применяется в аналоговых телефонах, которые еще можно увидеть в некоторых местах. Около четверти века инженеры постоянно совершенствовали его, не прибегая к изобретению кардинально отличающихся по принципу работы микрофонов.

Только в 1916 году инженер Эдуард Венте сделал конденсаторный микрофон. Принцип действия которого базируется на преобразование звука в электрический сигнал за счет изменения внутреннего сопротивления, а в результате изменения емкости. Чуть поже японей Ёгути изобрел разновидность этого типа – электретный микрофон.

В 1924 году немцы Вальтер Шоттки и Гервин Эрлах открывают новый тип — динамический микрофон. Он работал намного лучше угольного, а по электрическим свойствам оказался куда лучше конденсаторного устройства.

В 1925 году российские ученые Александр Иванович Яковлев и Сергей Николаевич Ржевкин предстовляют принципиально новый вид аудиотехники — пьезоэлектрический микрофон, в котором для преобразования давления воздуха в сигнал применялся пьезоэлектрик. На базе такого устройства позже был изобретен гидрофон – микрофон способный записывать звуки под водой.

И наконец, буквально вчера в 1931 году американы Эдуард Венте и Альберт Терес создают динамический микрофон с катушкой индуктивности. Именно он до сих пор применяется в звукозаписывающих фирмах, так как обладает лучшими частотными свойствами.

В соответствии с принципом действия микрофона их можно разделить на следующие типы:

В свою очередь динамические микрофоны можно классифицировать на виды: электромагнитный, ленточный и катушечный. Далее рассмотрим принцип и устройство каждого из типов более подробно.

Принцип работы его основан на физическом явление называемой в электротехнике индукцией.

Проводник, к которому прикреплена мембрана, находится в постоянном магнитном поле. Изменения давления воздуха вследствие воздействия звуковых колебаний, заставляют мембрану перемещаться в соответствии с фазой, амплитудой и частотой звуковой волны. Мембрана, передает это коллебательное движение проводнику, а уже перемещение проводника в постоянном магнитном поле генерирует слабый электрический сигнал, в точности повторяющий по своей форме звуковую волну

Для максимума подвижности, проводник делают из очень тонкой медной проволоки, которая плотно намотана вокруг пластикового пустотелого стержня. Это позволяет увеличить количество проводимого материала в магнитном поле, что, дает возможность, неплохо увеличивает индукцию, а значит и чувствительность динамического устройства.

Данное устройство по сравнению со своими коллегами имеет как свои плюсы, так и минусы. К первым можно отнести отличную надежность, способность работать с высокими звуковыми давлениями, простая конструкция и адекватный ценовой диапазон. Недостатки: низковатая чувствительность на высоких частотах (спад АЧХ), не достаточно быстрая реакция на резкие перепады звукового давления.

Устройство ленточного динамического микрофона несколько отличается от рассмотренной выше катушечной модификации. Здесь магнитная система представлена постоянным магнитом (1) и полюсными наконечниками (2), между ними натянута легкая, тонкая (порядка 2 мкм) алюминиевая, ленточка (3). При воздействии на обе ее стороны звуком появляется сила, под действием которой она начинает совершать колебательные движения, пересекая в этом процессе магнитные силовые линии, и благодаря этому на ее концах появляется напряжение.

Сопротивление ленты мало, поэтому для снижения уровня падения напряжения на соединительных проводниках, развиваемое напряжение на концах ленточки идет на первичную обмотку повышающего трансформатора, размещенного вблизи ленты. Напряжение на вторичной обмотке трансформатора и будет выходным напряжением. Частотный диапазон этой разновидности динамического микрофона совсем не плох, а неравномерность частотной характеристики мала.

Принцип работы этого типа основан на главном свойстве конденсатора изменять свою емкость в зависимости от расстояния между своими пластинами.

Преимущества таких микрофонов: они более чувствительны, особенно это хорошо чувствуется в области высоких частот, могут четко реагировать на резкие изменения. Минусы: Необходим источник питания.

При воздействии звука на диафрагму она начинает колебаться. В такт этому регулируется и сила сжатия зерен порошка, тем самым изменяя сопротивление между электродами, а при наличии постоянного напряжения изменяется и ток следующий через микрофон. Если, подключить устройство к первичной обмотке трансформатора, то на его вторичке возникнет переменное напряжение, форма которого повторит кривую звукового давления, воздействующего на диафрагму.

Основным преимуществом этого почти ушедшего в историю типа принято считать огромную чувствительность, позволяющую использовать его без дополнительных усилителей. Недостатки типовые — нестабильность и существенный шум, неравномерность частотной характеристики и сильные нелинейные искажения.

Их действие основано на том, что звук воздействует непосредственно или через диафрагму (1) и скрепленный с ней стержень (2) на пьезоэлектрический компонент (3). При деформации пьезоэлемента на его обкладках возникает напряжение, которое и является выходным сигналом.

Для обозначения на принципиальных схемах используют специальный символ, похожий на угольный микрофон. Линии выводов при этом направляют в одну или в разные стороны. Основой буквеный код (В). Добавочная буква (М) означает микрофон. Исключение только для приборов звуковой сигнализации. Принцип действия и другие особенности, указывают специальными значками, смотри рисунок ниже.

Представлена схема правильного самостоятельного изготовления шнура, который не внесет сильного вреда в качество получаемого сигнала, если он состоит из нормальных проводов. В роли экрана используется типовая медная оплетка. Сигнальные жилы внутри экрана это витая пара медных проводов.

Чувствительность Е — наверное главная микрофонная характеристика. Она определяется как ЭДС при работе микрофона без нагрузки или как напряжение, создаваемое на стандартном сопротивлении нагрузки при воздействии на чувствительный компонент, звукового давления в один Паскаль. За единицу чувствительности принято отношение одного милливольта к одному паскалю, т.е.

Чувствительность среднего микрофона в зависимости от типа может составлять от 1 — 2 мВ/Па у динамических устройств до 10-15 мВ/Па (конденсаторного типа).

Частота воспроизведения f_воспр. Уровень передачи любого микрофона в какой-то степени зависит от частоты звуковых колебаний. График этой зависимости и есть частотная характеристика.

Частота воспроизведения является типовой Амплитудно-Частотной-Характеристикой. Неравномерность АЧХ измеряют в децибелах как отношение чувствительности на определенной частоте к чувствительности на средней частоте, например 1 кГц.

Направленность φ — Способность микрофонного устройства реагировать на звуки в зависимости от расположения в пространстве звукового источника и направление прихода волн определяется специальным параметром направленности. Она показывает изменения чувствительности при смене направлений, по которым звуковые волны идут к чувствительному элементу.

где, М_α чувствительность звуковой волны под некоторым углом альфа
M₀ — осевая чувствительность

Диаграмму направлености графически можно представить в полярнойной системе координат. В качестве опорного направления (0 -180°) применяется микрофонная ось ( перпендикулярное или фронтальное к лицевой стороне направление). Боковые направления задаются углами прихода по отношению к осевой линии. На рисунке ниже показана идеальная диаграмма ненаправленного действия.

Вдоль линии, задающей конкретное направление, откладывают некоторый отрезок, пропорпиональный чувствительности в данном направлении. По диаграммам направленности эти аудио устройства можно условно разделить на три группы: ненаправленные, двусторонненаправленные и односторонненаправленные.

Уровень шумов N_ш — уровень собственных шумов микрофона это отношение эффективного напряжения на выходе при полном отсутствии звукового поля.

Напряжение шума — U_ш обусловлено в основном тепловыми шумами в элементах схемы.

Одной из популярных разновидностей микрофонов конденсаторного типа являются электретные устройства, которые широко используются в современных смартфонах, персональных компьютерах и беспроводных гарнитурах. Их выделяет простая конструкция, хорошее качество звука и дешевизна. В микрофонах такого типа не требуется дополнительный источник питания, поэтому они могут работать в любых условиях.

Конденсаторный микрофон

Существуют так же микрофоны конденсаторного типа, они менее распространены и применяются в основном в студийных условиях для качественной записи речи. В основе работы такого устройства лежит конденсатор, одна из пластин которого двигается как диафрагма. Благодаря такому принципу, вместе со звуковыми колебаниями меняется и емкость конденсатора. Для того чтобы вся система работала, необходимо применять дополнительно одну батарейку.

Одной из популярных разновидностей микрофонов конденсаторного типа являются электретные устройства, которые широко используются в современных смартфонах, персональных компьютерах и беспроводных гарнитурах. Их выделяет простая конструкция, хорошее качество звука и дешевизна. В микрофонах такого типа не требуется дополнительный источник питания, поэтому они могут работать в любых условиях.

Микрофон является нежным и хрупким устройством, стучать по которому или дуть в диафрагму категорически не рекомендуется. Так же не следует при работе перемещать штатив с микрофоном. Слишком частое присоединение контактных проводов, так же способно пагубно отразиться на работоспособности устройства, контакты попросту изнашиваются.

Первым получил распространение угольный микрофон, который и до сих пор используют в телефонии. Действие его основывается на изменении сопротивления между зернами угольного порошка при изменении давления на их совокупность.

Первым получил распространение угольный микрофон, который и до сих пор используют в телефонии. Действие его основывается на изменении сопротивления между зернами угольного порошка при изменении давления на их совокупность.

Электретные микрофоны, по существу, те же конденсаторные, но постоянное напряжение для них обеспечивается не обычным источником, а электрическим зарядом мембраны или неподвижного электрода, материалы которых отличаются тем, что способны сохранять этот заряд длительное время.

Некоторое распространение получили микрофоны пьезоэлектрические Их действие основано на том, что звуковое давление воздействует непосредственно или через диафрагму 1 и скрепленный с ней стержень 2 на пьезоэлектрический элемент 3. При деформации последнего на его обкладках вследствие пьезоэлектрического эффекта возникает напряжение, являющееся выходным сигналом микрофона.

Действие транзисторных микрофонов (весьма мало распространенных) основывается на том, что под действием звукового давления на диафрагму и скрепленное с ней острие, являющееся одновременно эмиттером полупроводникового триода, изменяется сопротивление эмиттерного перехода через него. Хотя транзисторные микрофоны с диафрагмой достаточно чувствительны, но они недостаточно стабильны и их частотные характеристики даже в сравнительно узком диапазоне частот неравномерны.

Поскольку электретные микрофоны обладают высоким выходным импедансом (имеющим емкостный характер, конденсатор ёмкостью порядка десятков пФ), то для его уменьшения, как правило, в корпус микрофона встраивают истоковый повторитель на полевом n-каналыюм транзисторе с р-n переходом. Это позволяет снизить выходное сопротивление и уменьшить потери сигнала при подключении к входу усилителя сигнала микрофона.

Микрофоны классифицируются по способу преобразования акустических колебаний в электрические, а также по функциональному назначению.

Схема, объясняющая конструктивное исполнение данного типа микрофонов изображена на рисунке 1.

Рис 1. Схема и принцип работы конденсаторного микрофона.

Выполненные из электропроводного материала мембрана и электрод разделены изолирующим кольцом и вместе представляют собой конденсатор. Жёстко натянутая мембрана под воздействием звукового давления совершает колебательные движения относительно неподвижного электрода.

При колебаниях мембраны ёмкость (а соответственно и заряд) конденсатора меняется с частотой воздействующего на мембрану звукового давления, в электрической цепи появляется переменный ток той же частоты и на нагрузочном сопротивлении возникает переменное напряжение, являющееся выходным сигналом микрофона.

Поскольку электретные микрофоны обладают высоким выходным импедансом (имеющим емкостный характер, конденсатор ёмкостью порядка десятков пФ), то для его уменьшения, как правило, в корпус микрофона встраивают истоковый повторитель на полевом n-каналыюм транзисторе с р-n переходом. Это позволяет снизить выходное сопротивление и уменьшить потери сигнала при подключении к входу усилителя сигнала микрофона.

Ввиду наличия встроенного транзистора, несмотря на отсутствие необходимости в поляризующем напряжении, такие микрофоны требуют внешний источник электропитания.

Типичная схема подключения электретного микрофона приведена на рисунке 2.

Рис 2. Типичная схема включения электретного микрофона.

Как правило, мембрана электретных микрофонов имеет большую толщину и меньшую площадь, из-за чего характеристики таких микрофонов зачастую уступают конденсаторным.

В отличие от конденсаторных, динамические микрофоны не требуют фантомного питания.

По конструктивному исполнению динамические микрофоны делятся на катушечные и ленточные.

В электродинамическом микрофоне катушечного типа мембрана механически жёстко соединена с катушкой, находящейся в кольцевом зазоре магнитной системы (аналогично динамикам). При колебаниях диафрагмы под действием звуковой волны витки катушки пересекают магнитные силовые линии, и в катушке наводится переменная ЭДС. На данный момент это один из наиболее распространнёных типов микрофонов, наряду с электретными. Конструкция микрофонов данного типа изображена на рисунке 3.

Рис 3. Конструкция динамического микрофона катушечного типа.

В электродинамическом микрофоне ленточного типа вместо катушки в магнитном поле располагается гофрированная ленточка из алюминиевой фольги. Считается, что подобная конструкция способствует более точной записи высокочастотного диапазона. Кроме того, данные микрофоны в основной своей массе имеют двусторонню диаграмму направленности (т.н. «восьмёрка»), подходящую для записи «стерео». Конструкция ленточного микрофона изображена на рисунке 4.

Рис 4. Конструкция микрофона ленточного типа.

Следует помнить, что в силу своей конструкции, ленточные микрофоны зачастую более требовательны к условиям хранения, а также могут иметь не высокий порог верхнего звукового давления. В некоторых случаях, например, банальное хранение на боку может привести к растяжению ленты и невозможности рабты микрофона.

Рис 5. Конструкция угольного микрофона.

Одна из возможных схем работы подобного микрофона приведена на рисунке 6.

Рис 6. Возможная схема работы оптоакустического микрофона.

По характеристикам пьезоэлектрические микрофоны уступают большинству конденсаторных и электродинамических микрофонов, однако в некоторых сферах подобные микрофоны всё же применяются, например в бюджетных или устаревших гитарных звукоснимателях.

Рис 7. Конструкция пьезоэлектрического микрофона.

Существуют и другие возможные способы регистрации звуковых колебаний, специфичные для своей среды применения, однако чаще всего они являются той или иной комбинацией конструкций, описанных выше. Примером специфичных микрофонов могут служить ларингофоны или гидрофоны.

1. Магнитов,
2. Катушек, намотанных на каркас,
3. Диффузоров.

Конструкция микрофона и динамика

Конструктивно динамики (динамические головки, громкоговорители) состоят из нескольких основных конструктивных элементов:

1. Магнитов,
2. Катушек, намотанных на каркас,
3. Диффузоров.

Внутри каркаса с катушкой располагается постоянный магнит-сердечник, с помощью которого при подаче сигнала на вход образуется магнитное поле. При этом катушка начинает своё движение, характер которого зависит от поданных сигналов и их амплитуды (с её снижением уменьшается и ход самой катушки). Одновременно с катушкой двигается и диффузор, присоединённый к катушке, создавая при этом в воздухе звуковые колебания.

Микрофон по своей конструкции фактически повторяет динамик: его диффузор принимает воздушные колебания, а катушка напрямую связана с ним и магнитом внутри. Основным отличием стало то, что катушка динамической головки имеет меньше витков в сравнении с катушкой, которая устанавливается в микрофоне.

Устройство и принцип действия микрофона

Принцип работы любого микрофона вне зависимости от особенностей его конструктивного исполнения заключается в воздействии на тонкую мембрану звуковых колебаний воздуха. В результате мембранные колебания становятся причиной возбуждения электрических колебаний. В зависимости от типа устройства могут быть использованы различные технологии и физические явления: микрофон может быть

Электродинамическим
Ленточным, когда материалом для катушки служит гофрированная алюминиевая фольга;

Катушечным, оснащённым диафрагмой в кольцевом зазоре магнита, при колебаниях которой под действием звуковых волн катушка пересекается силовыми линиями и в ней наводится ЭДС;

Пьезоэлектрическим, работа которого основана на использовании кристаллических пластинок;

Конденсаторным, оснащённым конденсатором, ёмкость которого изменяется во время звуковых колебаний при вибрации одной из обкладок (для этого она изготавливается из эластичного материала).

Основными техническими параметрами всех микрофонов является их

Устройство и принцип действия динамика

Работа любой динамической головки основана на использовании в составе конструкции кольцевого магнита с полюсами, которые размещены на его плоской стороне, и его поля. Замкнутое магнитное поле при этом формируется за счёт использования стальных листов с обеих сторон элемента. Полученная система играет роль магнитопровода и по своей форме и размеру полностью совпадает с параметрами магнита.

Равномерность распределения магнитных линий обеспечивается за счёт вставленного в центральное отверстие стального цилиндра. Разница в диаметрах цилиндра и отверстия в магните определяется конструкцией катушки. В полученном зазоре происходит концентрация магнитного поля.

Катушка индуктивности, размещённая в зазоре, всегда погружается внутрь зазора на половину высоты, что позволяет обеспечить её одинаковый ход во время работы динамика в обе стороны. Подключение к катушке к источнику питания в зависимости от совпадения полярности катушки и самого магнита (при одной её совпадении она выталкивается, при противоположных значениях – втягивается) фактически обеспечивает работу всего устройства.

Для того чтобы добиться механического движения воздуха катушка фиксируется на жёстком цилиндре с бумажным конусом. При перемещении катушки конус также будет двигаться и появится звук. Исключить любые искажения помогает фиксация полученной конструкции при помощи диффузородержателя и центрирующей шайбы.

Что такое компьютерный микрофон – знают все. Это чаще всего недорогое устройство, которое используется для связи через различные программы. Их характеристики не впечатляют, но пользователям многого и не нужно. Выполняются они в виде гарнитур. Часто встраиваются в веб-камеры для удобства видеосвязи.

В данной категории можно также выделить определенные типы: вокальные, речевые и инструментальные. Выглядеть они могут по-разному. Речевые и вокальные между собой обычно похожи. Их можно монтировать на стойки в специальные держатели. Инструментальный тип внешне походит и на сценические, и на студийные. Их особенность – способность воспринимать нюансы и детали звука и высокая сопротивляемость сильному звуковому давлению. Для этого в них встроен аттенюатор, снижающий риск перегрузки устройства.

Что такое компьютерный микрофон – знают все. Это чаще всего недорогое устройство, которое используется для связи через различные программы. Их характеристики не впечатляют, но пользователям многого и не нужно. Выполняются они в виде гарнитур. Часто встраиваются в веб-камеры для удобства видеосвязи.

Разделение по принципу действия подразумевает две разновидности устройств: конденсаторные и динамические. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки, а также сферы применения.

Для этого используются различные способы. Например, в конденсаторном микрофоне это конденсатор. Мембрана представляет собой одну пластину конденсатора, вторая — закреплена неподвижно. При колебаниях меняется расстояние между пластинами, а следовательно, емкость конденсатора. При этом ток, проходящий в цепи, связанной с конденсатором, приобретает форму звуковой волны:

Конденсаторные и динамические микрофоны

Термины «конденсаторный» и «динамический» применяются для обозначения двух основных типов высококачественных микрофонов, которые используются в настоящее время.

Отличия конденсаторных и динамических (катушечных) микрофонов:

Разновидностью конденсаторного микрофона является электретный микрофон, он значительно дешевле, менее требователен к условиям эксплуатации, но обладает более скромными характеристиками.

Разновидностью динамического микрофона является ленточный динамический микрофон. По своим характеристикам он ближе к конденсаторному и может использоваться только в студийных условиях.

Выбор правильного микрофона для записи — это искусство, познать которое можно только годами экспериментирования, изучения различных микрофонов и источников звука (инструментов, голосов и т. д.). И все равно, практически никто с полной уверенностью не может определить, какой микрофон следует использовать в каждом конкретном случае, не испробовав в начале несколько вариантов. Опыт и знания помогают лишь сузить число претендентов.

Любой микрофон — это преобразователь, трансформирующий одну форму энергии (акустический звук, то есть колебания воздуха) в другую (электрический сигнал). Есть три основных типа микрофонов — динамические, ленточные и конденсаторные.

Поскольку мембрану можно сделать очень тонкой, она может иметь меньшую массу, следовательно менее инертна, а следовательно обладает более быстрой реакцией и, таким образом, конденсаторные микрофоны могут воспринимать частоты в более широком диапазоне, по сравнению, например, с микрофонами динамическими.

Выбор правильного микрофона для записи — это искусство, познать которое можно только годами экспериментирования, изучения различных микрофонов и источников звука (инструментов, голосов и т. д.). И все равно, практически никто с полной уверенностью не может определить, какой микрофон следует использовать в каждом конкретном случае, не испробовав в начале несколько вариантов. Опыт и знания помогают лишь сузить число претендентов.

Направленность

Совсем не праздный, и часто возникающий в студиях вопрос при подходе исполнителя к микрофону — «куда в него петь?». Правильная сторона обозначается логотипом фирмы.

Частотный диапазон

Указан диапазон частот, которые микрофон может воспринимать на равном уровне. Лучше всего использовать микрофон с таким частотным диапазоном, чтобы спад низких частот начинался сразу после самой низкой основной частоты источника.

Чувствительность

Чувствительность указывает среднее напряжение, производимое микрофоном при звуковом давлении 1 Паскаль = 94 дБ. Значение относится к частоте 1 кГц и сопротивлению нагрузки 1 кОм. Более высокая чувствительность микрофона означает, что при одинаковой громкости звука он производит более сильный сигнал (выше напряжение), чем микрофон с более низкой чувствительностью. В результате лучше отношение сигнал/шум. Чувствительность указана в милливольтах на Паскаль.

Эквивалентный уровень шума

Микрофон всегда производит некоторый шум. Уровень этого шума измеряется в децибелах, эквивалентно звуковому давлению, необходимому для получения сигнала такого же уровня. Отношение сигнал/шум высчитывается как разница между уровнем звука 94 дБ и указанным в таблице уровнем шума.

Максимальный уровень звукового давления

Уровень максимального звукового давления указывает на способность микрофона выдерживать громкие звуки без искажений (до уровня искажений 0,5 %). Напомню, что 0 дБ — порог слышимости, 70 дБ — средняя речь, 130 дБ — болевой порог. Указан уровень с задействованным аттенюатором (максимальное значение), если он есть. Динамический диапазон, указываемый в характеристиках некоторых микрофонов, является разницей между максимальным уровнем звукового давления (без аттенюатора) и эквивалентным уровнем шума.

Аттенюатор

Аттенюатор ослабляет сигнал до предусилителя, то есть он защищает предусилитель от перегрузки, но отнюдь не защищает мембрану. Впрочем, современные микрофоны не могут быть повреждены тем уровнем максимального звукового давления, который могут производить подавляющее большинство инструментов.

Фильтр

Пропускающий фильтр высоких частот позволяет вам отрезать ненужную низкочастотную информацию. Если известно, указана частота среза.

Микрофоны — это устройства для преобразования акустических колебаний в электрические. Они применяются в технике, в машиностроении, при освоении космоса, на эстрадных и театральных сценах, в студиях записи звука и т.д. В зависимости от ситуации используются разные виды микрофонов.

Общий принцип работы оборудования

Самое распространенное звукозаписывающее оборудование — электродинамическое. Оно отличается универсальностью, доступными ценами и надежностью. Принципом работы устройство похоже на динамик. Подключенная к катушке диафрагма размещается в поле, созданном постоянным магнитом. Под действием звука катушка начинает двигаться и вызывает ток, который преобразуется и записывается.

Конденсаторные микрофоны основаны на перемене емкости, изменяющей величину тока.

Микрофон (от греч. μικρός — маленький, φωνη — голос) — электроакустический прибор, преобразовывающий звуковые колебания в колебания электрического тока, устройство ввода.

Микрофон (от греч. μικρός — маленький, φωνη — голос) — электроакустический прибор, преобразовывающий звуковые колебания в колебания электрического тока, устройство ввода.

Микрофоны используются во многих устройствах, таких как телефоны и магнитофоны, в звуко- и видеозаписи, на радио и телевидении, для радиосвязи, а также для ультразвукового контроля и измерения.

Историческая справка. Вначале наибольшее распространение получил угольный микрофон Эдисона, об изобретении которого также независимо заявляли Генрих Махальский в 1878 году и Павел Голубицкий в 1883 году. Угольный микрофон до сих пор используется в аппаратах аналоговой телефонии. Действие его основывается на изменении сопротивления между зёрнами угольного порошка при изменении давления на их совокупность.

Конденсаторный микрофон был изобретён инженером Bell Labs Эдуардом Венте в 1916 году. В нём звук воздействует на тонкую металлическую мембрану, изменяя расстояние между мембраной и металлическим корпусом. Тем самым образуемый мембраной и корпусом конденсатор меняет ёмкость. Если подвести к пластинам постоянное напряжение, изменение ёмкости вызовет ток через конденсатор, тем самым образуя электрический сигнал во внешней цепи.

Пьезоэлектрический микрофон, сконструированный советскими учёными С. Н. Ржевкиным и А. И. Яковлевым в 1925 году, имеет в качестве датчика звукового давления пластинку из вещества, обладающего пьезоэлектрическими свойствами. Работа в качестве датчика давления позволила создать первые гидрофоны и записать сверхнизкочастотные звуки, характерные для морских обитателей.

Принцип работы микрофона заключается в том, что давление звуковых колебаний воздуха, воды или твёрдого вещества действует на тонкую мембрану микрофона. В свою очередь, колебания мембраны возбуждают электрические колебания; в зависимости от типа микрофона для этого используются явление электромагнитной индукции, изменение ёмкости конденсаторов или пьезоэлектрический эффект.

Свойства акустико-механической системы сильно зависят от того, воздействует ли звуковое давление на одну сторону диафрагмы (микрофон давления) или на обе стороны, а во втором случае от того, симметрично ли это воздействие (микрофон градиента давления) или на одну из сторон диафрагмы действуют колебания, непосредственно возбуждающие её, а на вторую — прошедшие через какое-либо механическое или акустическое сопротивление или систему задержки времени (асимметричный микрофон градиента давления).

Микрофоны любого типа оцениваются следующими характеристиками:

1. чувствительность
2. амплитудно-частотная характеристика
3. акустическая характеристика микрофона
4. характеристика направленности
5. уровень собственных шумов микрофона

Если включить угольный микрофон в электрическую цепь, то на ее выходе мы получим переменное напряжение, форма которого будет точно воспроизводить форму звуковых волн.

Микрофон – это устройство, которое преобразует звуковые колебания (звуковую волну) в полезный электрический сигнал. Сразу стоит отметить, что типов микрофонов достаточно много, и процесс преобразования у них происходит по-разному. Единственное, что общего у всех без исключения так это то, что входным сигналом всегда является звуковая волна или колебания воздуха, вызванные источником звука, а выходным сигналом всегда является переменное электрическое поле.

Угольный микрофон, судя из истории создания микрофона, появился самым первым. Его конструкция одна из самых простых и в тоже время достаточно надежных. Может быть поэтому угольные микрофоны используются и по сей день.

Если включить угольный микрофон в электрическую цепь, то на ее выходе мы получим переменное напряжение, форма которого будет точно воспроизводить форму звуковых волн.

Электромагнитный микрофон состоит из электрического магнита и ферромагнитной мембраны. Звуковые волны, воздействуя на мембрану, приводят к возникновению ее колебаний. И поскольку материал мембраны (ферромагнетик) оказывает непосредственное влияние на магнитное сопротивление всей системы – на выходе мы также получаем переменный сигнал, форма которого совпадает с формой звуковой волны.

Электродинамический микрофон имеет две разновидности: катушечный и ленточный. Катушечный состоит из мембраны и магнитной системы (постоянного магнита и подвижной катушки). Мембрана связана с подвижной катушкой. Как только она начинает колебаться, в движение приходит и подвижная катушка. Двигаясь по магнитному стержню, в витках катушки возникает электромагнитное поле, которое преобразуясь в электрический сигнал, собственно и является полезным выходным сигналом.

В ленточном электродинамическом микрофоне нет мембраны. Ее роль выполняет тоненькая металлическая (обычно алюминиевая) лента, которая колеблется под действием звуковой волны между полюсами магнита. Колеблясь, она пересекает магнитные силовые линии и на ее концах возникает разность потенциалов. Эти концы подключены к повышающему трансформатору, выходным напряжением которого и является полезный сигнал, по форме идентичный звуковым колебаниям.

Пьезоэлектрические микрофоны состоят из мембраны, пьезоэлектрика и подсоединенных к нему электродов. Мембрана, через прикрепленный к ней стержень, воздействует на пьезоэлектрик, деформируя его. В процессе деформации на краях пьезоэлектрика возникает напряжение, форма которого в точности повторяет форму воздействующей на мембрану звуковой волны. Напряжение снимается с электродов и передается как полезный сигнал дальше в цепь.

Источники

Источник — http://www.texnic.ru/shems/audio/audio002.html
Источник — http://lab-37.com/mech/princip-raboty-mikrofona/
Источник — http://audioakustika.ru/node/1255
Источник — http://chipinfo.pro/elements/acoustics/microphones.shtml
Источник — http://xn—-7sbfcba6asrtcbbuis7knc9bcd. xn--p1ai/ustroystvo-mikrofona-i-dinamika.html
Источник — http://principraboty.ru/princip-raboty-mikrofona/
Источник — http://www.digitalmusicacademy.ru/lesson-microphone
Источник — http://interimpex.ru/poleznaya-informaciya/princip-raboty-kondensatornogo-mikrofona.html
Источник — http://promikrophon.ru/vidy/raznovidnosti-mikrofonov-i-printsip-ih-raboty
Источник — http://izotop.jimdofree.com/%D1%80%D0%B0%D0%B7%D0%B4%D0%B5%D0%BB%D1%8B-%D0%B8%D0%BA%D1%82/%D0%B0%D1%80%D1%85%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0/%D0%BC%D0%B8%D0%BA%D1%80%D0%BE%D1%84%D0%BE%D0%BD/
Источник — http://scsiexplorer.com.ua/index.php/ljudi-i-tehnologii/kak-eto-rabotaet/1332-kak-rabotatet-mikrofon.html

Микрофон | Digital Music Academy

Для записи звука используется микрофон:

Микрофон состоит из:

• небольшой мембраны, которая свободно вибрирует под воздействием звуковых волн и
• устройства, преобразующего механические колебания в электромагнитные.

Для этого используются различные способы. Например, в конденсаторном микрофоне это конденсатор. Мембрана представляет собой одну пластину конденсатора, вторая — закреплена неподвижно. При колебаниях меняется расстояние между пластинами, а следовательно, емкость конденсатора. При этом ток, проходящий в цепи, связанной с конденсатором, приобретает форму звуковой волны:

Таким образом, с помощью микрофона звуковые волны преобразуются в электрические.

Конденсаторные и динамические микрофоны

Термины «конденсаторный» и «динамический» применяются для обозначения двух основных типов высококачественных микрофонов, которые используются в настоящее время.

Отличия конденсаторных и динамических (катушечных) микрофонов:

• Конденсаторные микрофоны в отличие от динамических нуждаются в дополнительном питании, зато особенности их строения позволяют выпускать миниатюрные модели, тогда как динамические микрофоны отличаются большими размерами, продиктованными спецификой их механизма.
• Конденсаторные микрофоны применяются по большей части при записи вокала и акустических инструментов, а динамические в свою очередь, отличаясь более высоким уровнем перегрузочной способности, чаще используются в концертной практике, а также для работы с гитарными усилителями и ударными инструментами.
• Конденсаторные микрофоны, как правило, обладают более широким частотным диапазоном.

Разновидностью конденсаторного микрофона является электретный микрофон, он значительно дешевле, менее требователен к условиям эксплуатации, но обладает более скромными характеристиками.

Разновидностью динамического микрофона является ленточный динамический микрофон. По своим характеристикам он ближе к конденсаторному и может использоваться только в студийных условиях.

Принцип действия конденсаторного микрофона

Диафрагма 1
Неподвижный проводник 2
Источник питания E
Нагрузочное сопротивление R

В качестве диафрагмы в конденсаторном микрофоне используется очень тонкая пленка из пластика (1), которую покрывают с одной стороны никелем или золотом. Эта пленка расположена рядом с неподвижной пластиной из проводника (2).

Электрическое поле между диафрагмой и этой пластиной создаётся двумя способами:

• батарея или фантомное питание, с помощью которых диафрагма подвергается действию поляризующего напряжения,
• в электретных микрофонах для этой цели используется перманентно поляризованный материал, который расположен в неподвижной пластине или в диафрагме.

Разделенные небольшой воздушной прослойкой,  диафрагма с пластиной представляют собой конденсатор, емкость которого изменяется в зависимости от движений диафрагмы, которое происходит под воздействием звуковых волн.

Электрический заряд неподвижной пластины соразмерно изменяется в соответствии с приближением или удалением диафрагмы от нее, то есть колеблющееся напряжение пластины электрически «отображает» движения диафрагмы.

Как собирают конденсаторный Neumann U87

Принцип действия динамического микрофона

Динамический микрофон действует по принципу, противоположному механизму действия динамика. В этом случае диафрагму присоединяют к токопроводной катушке, которая расположена в магнитном поле, формируемом постоянным магнитом.

В результате воздействия звуковой волны диафрагма начинает колебаться, что, в свою очередь, вызывает перемещения звуковой катушки. Вибрирующие движения провода в магнитном поле стают причиной появления электрического тока. На направление и величину этого тока влияют движения диафрагмы, следовательно, в динамическом микрофоне ток электрически «отображает» звуковую волну.

Принцип действия электродинамического катушечного микрофона: в кольцевом зазоре 1 магнитной системы, имеющей постоянный магнит 2, находится подвижная катушка 3, скрепленная с диафрагмой 4.
При воздействии на последнюю звукового давления она вместе с подвижной катушкой начинает колебаться.
В силу этого в витках катушки, перерезывающих магнитные силовые линии, возникает напряжение, являющееся выходным сигналом микрофона (электромагнитная индукция).

Устройство ленточного электродинамического микрофона несколько отличается от устройства катушечной модификации.
Здесь магнитная система микрофона состоит из постоянного магнита 1 и полюсных наконечников 2, между которыми натянута легкая, обычно алюминиевая, тонкая (порядка 2 мкм) ленточка 3.
При воздействии на обе ее стороны звукового давления возникает сила, под действием которой ленточка начинает колебаться, пересекая при этом магнитные силовые линии, вследствие чего на ее концах развивается напряжение.

Динамический микрофон своими руками

Устройство электродинамической головки благодаря свойству обратимости идентично по принципу действия устройству динамического микрофона, и, таким образом, эти устройства могут быть взаимозаменяемыми.

Например, во многих конструкциях переговорных устройств, домофонов, и даже в подслушивающих устройствах, некогда монтировавшихся спецслужбами в приёмники проводного радиовещания, в качестве приёмника звука — микрофона могли использоваться динамические головки.

Различные виды микрофонов

• Угольный микрофон (а) Первым устройством, использующимся только в качестве микрофона стал угольный микрофон Эдисона, об изобретении которого также независимо заявляли Генрих Махальский в 1878 году и Павел Голубицкий в 1883 году. Действие его основывается на изменении сопротивления между зёрнами угольного порошка при изменении давления на их совокупность.
   
• Конденсаторный микрофон (д) Конденсаторный микрофон был изобретён инженером Bell Labs Эдуардом Венте (Edward Christopher Wente) в 1916 году. В нём звук воздействует на тонкую металлическую мембрану, изменяя расстояние между мембраной и металлическим корпусом. Тем самым образуемый мембраной и корпусом конденсатор меняет ёмкость. Если подвести к пластинам постоянное напряжение, изменение ёмкости вызовет ток через конденсатор, тем самым образуя электрический сигнал во внешней цепи.
   
• Электретный микрофон, изобретённый японским учёным Ёгути в начале 1920-х годов, по принципу действия и конструкции близок к конденсаторному, однако в качестве неподвижной обкладки конденсатора и источника постоянного напряжения выступает пластина из электрета (материала, способного сохранять поверхностный заряд в течение длительного времени).
   
• Пьезоэлектрический микрофон (е) Пьезоэлектрический микрофон, сконструированный советскими учёными С. Н. Ржевкиным и А. И. Яковлевым в 1925 году, имеет в качестве датчика звукового давления пластинку из вещества, обладающего пьезоэлектрическими свойствами (т.е. при сжатии продуцирующего электрический заряд).
   
• Ленточный электродинамический микрофон (г) Первым динамическим микрофоном стал изобретённый в 1924 году немецкими учёными Эрлахом (Gerwin Erlach) и Шоттки электродинамический микрофон ленточного типа. Они расположили в магнитном поле гофрированную ленточку из очень тонкой (около 2 мкм) алюминиевой фольги. Такие микрофоны до сих пор применяются в студийной звукозаписи благодаря чрезвычайно широким частотным характеристикам, однако их чувствительность невелика, выходное сопротивление очень мало (доли ома), что значительно осложняет проектирование усилителей. Кроме того, достаточная чувствительность достижима только при значительной площади ленточки (а значит, и размерах магнита), в результате такие микрофоны имеют бо́льшие размеры и массу по сравнению со всеми остальными типами.
   
• Катушечный электродинамический микрофон (в) В 1931 году американские инженеры Венте и Тёрэс (Albert L. Thuras) изобрели динамический микрофон с катушкой, приклеенной к тонкой мембране из полистирола или фольги. В отличие от ленточного, он имел существенно более высокое выходное сопротивление (десятки ом и сотни килоом), мог быть изготовлен в меньших размерах и является обратимым. Совершенствование характеристик именно этих микрофонов, в сочетании с совершенствованием звукоусилительной и звукозаписывающей аппаратуры, позволило развиться индустрии звукозаписи не только в студийных условиях.
   
• Электромагнитный микрофон (б) Тогда же разработанные электромагнитные микрофоны, в отличие от электродинамических, имеют закреплённый на мембране постоянный магнит и неподвижную катушку.

микрофоны | Основы электроакустики

Микрофоны

Хотя акустическими системами принято называть звуковые колонки, сам этот термин носит более широкий смысл. К акустическим системам можно отнести и рупор, усиливающий звук, и лабиринты в древних крепостях для подслушивания разговоров и, наконец, вполне современ­ный прибор для преобразования звуковых колебаний в электрические сигналы — микрофон.

Микрофоном комплектуются многие звукозаписыва­ющие устройства — например, магнитофоны или магнито­лы. Нередко он встроен в них и позволяет с удовлетвори­тельным качеством записывать речь и музыку на магнито­фонную ленту. Есть микрофоны размером с пшеничное зерно (их применяют шпионы и разведчики), а есть вполне внушительные аппараты для высококачественного преобра­зования звуковых сигналов и передачи электрических сигналов без проводов (радиомикрофоны).

Микрофон является единственным средством для первичного преобразования звуковых сигналов в элект­рические,  в профессиональных аудио  и видеостудиях. Конечно, там применяются дорогие микрофоны, которые очень редко доступны обычным пользователям бытовой радиоэлектроники. Однако уровень развития бытовых микрофонов достаточно высок, и последние выпускаются на все случаи жизни. Восхищаясь превосходно сделанными записями музыкальных и вокальных произведений, мы должны посто­янно помнить, что все они сделаны с применением микрофонов. К счастью, энергия звуковых колебаний довольно мала, поэтому колебания мембраны микрофо­нов незначительны, что позволяет легко добиться очень малых нелинейных искажений. Зато получение малых линейных искажений (плоской АЧХ в широком диапазо­не частот) — большая техническая проблема при разработ­ке бытовых микрофонов.

Микрофоны массового назначения по конструкции делятся на несколько типов:  

динамические микрофоны	ленточные микрофоны
конденсаторные микрофоны	электретные, или пьезоэлектрические, микрофоны

 Наиболее распространены динамические микрофо­ны. Конструктивно они выполнены в виде катушки, размещенной в магнитном зазоре сильного постоянного магнита. Катушка обычно прикреплена к легкой и по­движной мембране, воспринимающей колебания воздуха, преобразующей их в механические колебания и переда­ющей последние катушке. Движение катушки в сильном магнитном поле создает на ее зажимах ЭДС самоиндук­ции.

Ленточные микрофоны имеют проводящую мембрану в виде тончайшей металлической или металлизированной ленты, также находящейся в поле сильного магнита. Мем­брана (она же и катушка) в виде ленты имеет слабые резонансные свойства и может чувствовать звуковые волны в очень широком диапазоне их частот. Поэтому микрофо­ны этого типа популярны при студийных записях. Однако ЭДС, создаваемая на концах ленты, очень мала: в конце концов, лента — это даже не один виток катушки, а лишь часть витка. Сигналы таких микрофонов нуждаются в большем усилении, что ведет к усложнению борьбы с шумами и наводками в усилителях.

Конденсаторный микрофон основан на известном явлении — появлении ЭДС на обкладках конденсатора при их механическом перемещении в электрическом поле. Как и ленточный микрофон, конденсаторный имеет обкладку в виде ленты и поэтому может восприни­мать звуковые колебания в широком диапазоне частот. Однако ЭДС конденсаторного микрофона может быть заметно большей, но при условии нагрузки на усилитель с большим входным сопротивлением. Конденсаторные микрофоны сейчас используются в основном как сту­дийные.

Электретный конденсаторный, или пьезоэлектричес­кий, микрофон — подлинная находка для простых быто­вых аудиоустройств. В нем мембрана связана с конденса­тором из диэлектрика с пьезоэлектрическим эффектом. Когда он получает механические колебания, на его зажи­мах возникает ЭДС (прямой пьезоэфект). Порою, она доходит до долей вольта, что требует малого усиления. Правда, как и у конденсаторного микрофона, усилитель должен обладать высоким входным сопротивлением хотя бы в сотни кОм. В принципе, качество электретных микрофонов обычно похуже, чем у динамических или ленточных, но многие фирмы выпускают вполне прилич­ные микрофоны этого класса с полосой частот от 50 Гц до 15-18 кГц.

Вне зависимости от конструкции микрофона он ха­рактеризуется следующими основными параметрами и характеристиками:

• чувствительностью
• частотной зависимостью чувствительности (АЧХ микрофона) или просто частотным диапазоном при заданном спаде чувствительности на границах диапазона частот
• диаграммой направленности — т. е. зависимостью чувствительности от углового расположения ис­точника звука
• сопротивлением нагрузки

По нашим стандартам чувствительность измеряется как отношение ЭДС микрофона к звуковому давлению (мВ/Па). Например, у одного из лучших наших микрофо­нов (динамического типа) МД-52Б она составляет 1,2 мВ/Па при полосе частот от 50 Гц до 15 кГц, неравно­мерности чувствительности в 12 дБ и номинальном сопро­тивлении нагрузки 250 Ом. Чувствительность зарубежных микрофонов обычно измеряется в логарифмических еди­ницах dBm (при этом 0 dBm = 1 мВт/Па) при частоте 1000 Гц и характеризует отношение отдаваемой микрофо­ном мощности к величине звукового давления. В качестве примера приведем данные стандартного микрофона F-V9 фирмы Sony. Этот недорогой динамичес­кий микрофон классического оформления (ручка с шаро­образной головкой) является однонаправленным микро­фоном, имеет чувствительность -59,8 dBm, частотный диапазон от 60 Гц до 12 000 Гц, выходное сопротивление 600 Ом. Габариты микрофона 140×51 мм, масса 140 г. Микрофон имеет кабель длиной 3 м и поставляется с переходником под гнезда различного размера. Этот микро­фон предназначен для универсального применения, в том числе в системах «Караоке».

Диаграмма направленности микрофона — это зависи­мость чувствительности от угла направления источника звука относительно оси микрофона. Диаграммы направ­ленности одного и того же микрофона могут различаться на разных частотах: обычно, чем выше частота звука, тем уже диаграмма направленности. За рубежом диаграммы направленности называют следующими терминами:

• unidirectional — однонаправленная,
• omnidirectional — всенаправленная ,
• narrow — узконаправленная .

Диаграмма направленности микрофонов обычно указывается для частоты 1000 Гц, хотя она может существенно зависеть от частоты. Иногда разработчики дают семей­ство диаграмм направленности для ряда частот, но это скорее исключение, чем правило. Всенаправленные микрофоны с близкой к круговой диаграммой направленности обычно используются для записи звуков, которые могут приходить с разных сто­рон, — например, беседы за круглым столом нескольких человек. Однако чаще используются однонаправленные микрофоны, что позволяет ослабить лишние звуки сзади озвучиваемой сцены. В некоторых случаях просто необ­ходимы узконаправленные микрофоны — например, если вы снимаете телеобъективом соловья и хотите выделить его пение на фоне многих других звуков. Есть и микро­фоны с переключением диаграммы направленности.

Разработчики давно отошли от классического оформ­ления микрофона только в виде головки с длинной ручкой. Теперь есть миниатюрные микрофоны, встроенные в маг­нитолы и видеокамеры, микрофоны в виде застежки для галстука или в виде ручки, размещаемой в кармане. Мно­гие микрофоны имеют встроенный усилитель с питанием от гальванического элемента. Он увеличивает уровень выходного напряжения (мощности) микрофона, что суще­ственно снижает вероятность возникновения фона и помех из-за наводок на кабель микрофона, несущий сигналы малой величины. 

Определенные проблемы для записи звуков создают порывы ветра и воздух, выдыхаемый певцом или дикто­ром. Для уменьшения возникающих при этом призвуков на микрофон надевается специальная насадка из пено­пласта или иного пористого материала.

До сих пор для записи стереофонических звуков использовались два отдельных микрофона. Однако сейчас многие фирмы выпускают стереофонические сдвоенные микрофоны в виде единого компактного устройства. Де­ление звуков на левый и правый каналы осуществляется выбором соответствующих диаграмм направленности каж­дого микрофона. Стереомагнитофоны могут быть мини­атюрными — например, они встраиваются в современные видеокамеры с Hi-Fi стереофоническим качеством звуко­вого сопровождения.

 

 

 

Датчики и микрофоны — www.maximenko.org

ЧТО ТАКОЕ ПРИЁМНИКИ ЗВУКА? 

Приёемники звука — это акустические приборы для восприятия звуковых сигналов и преобразования их с целью измерения, передачи, воспроизведения, записи или анализа. Наиболее распространены П. з., преобразующие акустич. сигналы в электрические (см. Электроакустический преобразователь). К ним относятся применяемые в воздухе микрофоны, в воде гидрофоны, в грунте геофоны. Важнейшие хар-ки таких П. з. чувствительность — отношение электрич. сигнала к акустическому (напр., отношение амплитуды электрич. напряжения к амплитуде звукового давления) частотная хар-ка (зависимость чувствительности от частоты) собственное электрич. сопротивление направленность. 

Существует несколько методов и множество различных приборов для измерения интенсивности ультразвука. В настоящее время применяются механические методы (основанные на измерении колебательной скорости частиц среды, переменного звуко-врго давления или давления излучения), калориметрические методы, термические методы (основанные на измерении электрического сопротивления тонкой проволоки, нагреваемой в звуковом поле), электрические приемники звука (пьезоэлектрические приемники, конденсаторные микрофоны) и другие методы и установки.  

К 40-м годам приёмники прямого преобразования были вытеснены супергетеродинами и приёмниками прямого усиления. Обуславливалось это тем, что основное усиление и селекция приёмника прямого преобразования осуществлялось на низкой частоте. Построить на лампах усилитель с высокой чувствительностью и малым коэффициентом шума затруднительно. Возрождение приёмников прямого преобразования началось в 60-х годах с применением новой элементной базы -операционных усилителей, транзисторов. Стало возможным применение высокодобротных активных фильтров на операционных усилителях. Оказалось что при сравнительной простоте приёмники прямого преобразования показывают характеристики, сравнимые с супергетеродинами. Кроме того, так как частота гетеродина приёмников прямого преобразования может быть в два раза ниже частоты сигнала (при определенных типах смесителя), их удобно применять для приёма сигналов КВЧ и СВЧ. Особый интерес приёмники прямого преобразования вызвали среди радиолюбителей-коротковолновиков, так как этот принцип позволяет даже начинающему с минимальными затратами времени и средств построить приёмник, пригодный для работы в эфире. В СССР основная заслуга в повторной популяризации техники прямого преобразования принадлежит В. Т. Полякову. С момента первых его публикаций по этой теме (середина 1970-х гг.) приёмник прямого преобразования на трех-пяти транзисторах стал типичной первой конструкцией начинающего коротковолновика. 

Впервые сейсмический эффект от мощного взрыва, вызванный распространением упругих волн в выветрелых гранитах, был зафиксирован 1846 году. Для обнаружения колебаний, создаваемых упругими волнами, Маллет применял сейсмоскоп, представляющий 

Однако применяемый им сейсмоскоп был недостаточно точен и чувствителен для решения геологоразведочных задач. Определенные Маллетом скорости сейсмических волн оказались сильно заниженными по сравнению с ожидаемыми значениями. 

В условиях невесомости истинное ускорение объекта вызывается лишь гравитационной силой и потому в точности равно гравитационному ускорению. Таким образом, кажущееся ускорение отсутствует и показания любого акселерометра равны нулю. Все системы, использующие акселерометр как датчик наклона, прекращают функционировать. Например, планшетный компьютер не изменяет положение изображения при повороте корпуса.

Современные микрофоны — это высокотехнологичные устройства с невероятными электрическими и частотными характеристиками. Есть проводные и без проводные, с регулятором уровня и без него. Однако общая конструктивная черта у всех у них практически идентична, причем за последние почти 100 лет она не претерпела особых изменений. Рассмотрим историю создания этого электронного прибора. 

Вначале наибольшее распространение получил угольный микрофон Эдисона, об изобретении которого также независимо заявляли Генрих Махальский в 1878 году и Павел Голубицкий в 1883 году. Угольный микрофон до сих пор используется в аппаратах аналоговой телефонии. Действие его основывается на изменении сопротивления между зёрнами угольного порошка при изменении давления на их совокупность. 

Конденсаторный микрофон был изобретён инженером Bell Labs Эдуардом Венте (Edward Christopher Wente) в 1916 году. В нём звук воздействует на тонкую металлическую мембрану, изменяя расстояние между мембраной и металлическим корпусом. Тем самым образуемый мембраной и корпусом конденсатор меняет ёмкость. Если подвести к пластинам постоянное напряжение, изменение ёмкости вызовет ток через конденсатор, тем самым образуя электрический сигнал во внешней цепи. 

Более массовыми стали динамические микрофоны, отличающиеся от угольных гораздо лучшей линейностью характеристик и хорошими частотными свойствами, а от конденсаторных — более приемлемыми электрическими свойствами. Первым динамическим микрофоном стал изобретённый в 1924 году немецкими учёными Эрлахом (Gerwin Erlach) и Шоттки электродинамический микрофон ленточного типа. Они расположили в магнитном поле гофрированную ленточку из очень тонкой (около 2 мкм) алюминиевой фольги. Такие микрофоны до сих пор применяются в студийной звукозаписи благодаря чрезвычайно широким частотным характеристикам, однако их чувствительность невелика, выходное сопротивление очень мало (доли ома), что значительно осложняет проектирование усилителей. Кроме того, достаточная чувствительность достижима только при значительной площади ленточки (а значит, и размерах магнита), в результате такие микрофоны имеют бо?льшие размеры и массу по сравнению со всеми остальными типами. 

Еще через год в 1925 году уже российские ученые Сергей Николаевич Ржевкин и Александр Иванович Яковлев создают пьезоэлектрический микрофон, в котором для преобразования давления воздуха в электрический сигнал использовался пьезоэлектрик. Работа в качестве датчика давления позволила создать первые гидрофоны и записать сверхнизкочастотные звуки, характерные для морских обитателей. То есть на основе такой конструкции позже бил создан гидрофон — микрофон, записывающий звуки под водой. 

В 1931 году американские инженеры Венте и Тёрэс (Albert L. Thuras) изобрели динамический микрофон с катушкой, приклеенной к тонкой мембране из полистирола или фольги. В отличие от ленточного, он имел существенно более высокое выходное сопротивление (десятки ом и сотни килоом), мог быть изготовлен в меньших размерах и является обратимым. Совершенствование характеристик именно этих микрофонов, в сочетании с совершенствованием звукоусилительной и звукозаписывающей аппаратуры, позволило развиться индустрии звукозаписи не только в студийных условиях. Создание малых по размеру (даже несмотря на массу постоянного магнита, необходимого для работы микрофона), а также чрезвычайно чувствительных и узконаправленных динамических микрофонов в заметной степени изменило представление о приватности и породило ряд изменений в законодательстве (в частности, о применении подслушивающих устройств). 

Тогда же разработанные электромагнитные микрофоны, в отличие от электродинамических, имеют закреплённый на мембране постоянный магнит и неподвижную катушку. Благодаря отсутствию жёстких требований к массе катушки (характерном для динамических микрофонов) такие микрофоны делались высокоомными, а также порой имели многоотводные катушки, что делало их более универсальными. Такие микрофоны, наряду с пьезоэлектрическими, позволили создать эффективные слуховые аппараты, а также ларингофоны.  

Электретный микрофон, изобретённый японским учёным Ёгути в начале 1920-х годов, по принципу действия и конструкции близок к конденсаторному, однако в качестве неподвижной обкладки конденсатора и источника постоянного напряжения выступает пластина из электрета. Долгое время такие микрофоны были относительно дороги, а их очень высокое выходное сопротивление (как и конденсаторных, единицы мегаом и выше) заставляло применять исключительно ламповые схемы. Создание полевых транзисторов привело к появлению чрезвычайно эффективных, миниатюрных и лёгких электретных микрофонов, совмещённых с собранным в том же корпусе предусилителем на полевом транзисторе.

Также существуют более сложные устройства — радиомикрофоны (беспроводные микрофоны, радиосистемы), — которые составляют конкуренцию проводным микрофонам, хотя и не вытесняют их совсем (они также применяются для выступления на сцене, на конференциях…). Внутри такого микрофона находится радиопередатчик, передающий по радио звуки на расположенный поблизости радиоприёмник (ресивер) через внутреннюю антенну (у некоторых беспроводных микрофонов также встречается внешняя антенна; у ресивера обязательно имеется внешняя антенна). Рабочая частота ресивера строго соответствует рабочей частоте передатчика микрофона (рабочая частота измеряется в мегагерцах (МГц, MHz) и может достигать нескольких сотен единиц — это УКВ-радиосвязь (или FM; иногда в техническом описании указано «FM wireless microphone»)). Приёмник подключается к звуковому оборудованию посредством кабеля, сам же питается от электросети. 

Главное удобство радиомикрофонов в том, что они в отличие от проводных имеют хотя и ограниченную (это ведь не мобильный телефон!), но большую свободу передвижения. Недостаток — относительно частая разрядка элементов питания (аккумуляторов)[4]. 

Радиомикрофоны бывают как бытового, так и профессионального уровня. Бытовые обычно работают по принципу «plug and play» («включи и работай») и имеют только настройки выходной громкости. У радиосистем профессиональных серий на ресивере и самом микрофоне можно установить желаемые настройки сигнала для каждого конкретного микрофона, что позволяет одному ресиверу обслуживать иногда сразу 10 и более радиомикрофонов, кроме того, качество сигнала и передаваемых звуков у них гораздо выше, нежели у бытовых, поэтому профессиональные радиомикрофоны так хорошо себя зарекомендовали на концертах. Также бывают цифровые микрофонные радиосистемы из тех же профессиональных серий. 

Наиболее известными производителями профессиональных радиомикрофонов являются Sennheiser (Германия) и Shure (США)[источник не указан 294 дня]. 

На фото для примера показан радиомикрофон «Nady DKW-Duo». Когда в концерте участвует несколько радиомикрофонов, то для цветовой маркировки их обычно перематывают изолентой (как на фото), поскольку они идентичны по виду (если одного типа и серии)[5].

В звукозаписи. 
Чаще всего используется при подключении конденсаторных микрофонов. 

Источники фантомного питания часто встроены в микшерные пульты, микрофонные предусилители и подобное оборудование. В традиционных конденсаторных микрофонах фантомное питание используется не только для питания схемы микрофона, но и для поляризации. Микрофоны, требующие фантомного питания, сегодня чаще всего подключаются при помощи разъёма XLR. 

Преимущество такой схемы состоит в экономии меди, но на практике есть некоторые сложности.  

В компьютерных сетях. 
Подачу электрического питания устройствам, подключаемым к сетям Ethernet (IP-видеокамеры, точки доступа, IP-телефоны и др.) описывает стандарт IEEE 802.3af. 

В охранной технике. 
Цифровые двухконтактные электронные ключи ibutton с протоколом 1-Wire, которые получили широкое распространение в домофонах. 

Пожарная сигнализация. 
Токопотребляющие извещатели могут питаться по шлейфу. Для безадресных извещателей передача сигнала о пожаре передается увеличением токопотребления. Адресные извещатели передают кодированный сигнал по тому же шлейфу, по которому получают питание. 

В активных антеннах эфирного телевещания. 
Коаксиальным кабелем соединены принимающая антенна и приёмник (телевизор). Сигнал от антенны достигает приёмника, одновременно с тем, как питание малошумящего усилителя, вмонтированого в антенну, подаётся со стороны приёмника. 

В кабельном телевидении. 
Фантомное питание по магистральному кабелю применяется для дистанционного резервного питания магистральных и субмагистральных усилителей.  

В измерительной технике. 
Широко распространено фантомное питание различных датчиков. Встречаются датчики с выходом по напряжению, но наиболее распространена аналоговая токовая петля. При этом датчик потребляет от прибора ток, изменяющийся в диапазоне от 4 мА до 20 мА в зависимости от величины сигнала.

Электретный микрофон — микрофон с принципом действия, сходным с микрофонами конденсаторного типа, использующий в качестве неподвижной обкладки конденсатора и источника постоянного напряжения пластину из электрета. Используется способность этих материалов сохранять поверхностный заряд в течение длительного времени. 

Принцип действия гомоэлектретного микрофона: 
Тонкая плёнка из гомоэлектрета помещается в зазор конденсаторного микрофона либо наносится на одну из обкладок. Это приводит к появлению некоторого постоянного заряда конденсатора. При изменении ёмкости, вследствие смещения мембраны, на конденсаторе появляется изменение напряжения, соответствующее акустическому сигналу.  

В самой конструкции современного микрофона предусмотрен предусилитель, поэтому необходимо соблюдать полярность подключения и обеспечить питанием транзистор предусилителя. Это достигается подачей на микрофон фантомного питания. Например, некоторые звуковые карты предусматривают фантомное питание во входах для микрофонов. Некоторые модели электретных микрофонов снабжаются собственным автономным источником питания (аккумуляторы или батарейки). 

Принцип действия гетероэлектретного микрофона: 
В таком микрофоне сама гетероэлектретная плёнка служит мембраной. При её деформации на её поверхностях возникают разноимённые заряды, которые можно зарегистрировать, расположив электроды непосредственно на поверхности плёнки (на поверхность напыляют тонкий слой металла (алюминий, золото, серебро и т. п.). 

Типичная схема предусилителя на встроенном полевом транзисторе. Внешнее напряжение питания подаётся на U+; отделённая конденсатором переменная составляющая сигнала снимается с «Output»; резистор устанавливает режим работы транзистора и выходной импеданс.  
В отличие от динамических микрофонов, имеющих низкое электрическое сопротивление катушки (~50 Ом ? 1 кОм), электретный микрофон имеет чрезвычайно высокий импеданс (имеющий емкостный характер, конденсатор ёмкостью порядка десятков пФ), что вынуждает подключать их к усилителям с высоким входным сопротивлением. В конструкцию практически всех электретных микрофонов входит предусилитель («преобразователь сопротивления», «согласователь импеданса») на полевых транзисторах, реже на миниатюрных радиолампах, с входным сопротивлением порядка 1 ГОм и выходным сопротивлением в сотни Ом, находящийся в непосредственной близости от капсюля. Поэтому, несмотря на отсутствие необходимости в поляризующем напряжении, такие микрофоны требуют внешний источник электропитания.

Первые гидрофоны не были электрическими и представляли собой колоколообразную трубу, закрытую с широкой стороны мембраной и опущенную в воду на глубину нескольких метров. Гидрофон был применен впервые в 1887 году во французском флоте, эффективное расстояние использования составляло тогда всего 800 метров.  

Большинство современных гидрофонов основаны на пьезоэлектрическом эффекте, существуют также магнитострикционные гидрофоны, и гидрофоны, работающие как обычный микрофон (с изоляцией мембраны от непосредственного контакта с водой). 

В случае применения полупроводникового лазера некоторые из указанных недостатков удается устранить, несколько уменьшив точность определяемых вариаций давления. В 2006 г. был разработан лазерный гидрофон такого типа. В его оптической схеме представлен равноплечий интерферометр Майкельсона. Чувствительным элементом лазерного гидрофона является круглая мембрана, закрепленная на краях. 

Схема установки «Лазерный гидрофон». 1 – герметичный корпус, 2 – мембрана с зеркальным напылением, 3 –отсечное стекло , 4 – линза, 5 – полупроводниковый лазер, 6 – полупрозрачная делительная пластина, 7 – фотодиод, 8 – дополнительное зеркало, 9 – пьезокерамика раскачки, 10 – пьезокерамика компенсации. 

В установке используется лазерный диод с частотной стабильностью до четвертого знака. Нестабильность частоты лазера связана с отно-сительным смещением центра мембраны выражением , где — оптическая разность хода в плечах интерферометра. При уравнивании длин плеч интерферометра до 0.1 мм точность измерения смещения центра мембраны с учетом указанной стабильности частоты полупроводникового лазера составит 10 нм. Такое смещение центра мембраны диаметром 100 мм толщиной 0.1 мм может быть вызвано изменением внешнего давления на 15мПа. Прибор позволяет измерять вариации гидросферного давления с точностью 15 мПа в частотном диапазоне от 0 до 1000 Гц при погружении до 500 м.

Большое количество используемых материалов, методов внешнего воздействия, технологических приемов для создания поляризованного состояния в диэлектриках обуславливают многообразие проявления электретного эффекта в них. 

Современные представления об электретном эффекте основаны на двух типах зарядов в диэлектриках — гетеро- и гомозаряде. 

Гетерозаряд обусловлен электрической поляризацией в объёме диэлектриков вследствие ориентации диполей, ионной (или электронной) поляризации, а также смещением пространственного заряда. В этом случае отрицательный заряд электрета сосредотачивается у анода, положительный у катода, и возникающее электрическое поле противоположно по направлению полю поляризации. 

Гомозаряд обусловлен инжекцией из электродов в диэлектрик носителей зарядов и локализацией их на центрах захвата или рекомбинации электронов и дырок (энергетических ловушках) различной природы. В этом случае у катода располагается связанный отрицательный, а у анода — связанный положительный заряд, и результирующее образующееся поле имеет то же направление, что и поляризующее. Вышеупомянутые ловушки представляют собой энергетические уровни захвата инжектированных носителей заряда в запрещенной зоне диэлектрика или полупроводника. 

Существует несколько способов изготовления электретов. Большинство из них основано на том, что диэлектрик помещают в электрическое поле и подвергают дополнительному физическому воздействию, которое уменьшает время релаксации диполей либо ускоряет процесс миграции заряженных частиц. В зависимости от вида физического воздействия различают термо-, электро-, фото-, магнито-, радиоэлектреты и др. Электретное состояние может возникать и без приложения к диэлектрику внешнего электрического поля, например, от механической деформации (механоэлектреты), при заряжении диэлектрика в поле коронного разряда (короноэлектреты), при нагревании полимеров в контакте с электродами из разнородных металлов (металлополимерные электреты), при электризации трением (трибоэлектреты), под воздействием плазмы тлеющего разряда. Электретный эффект присущ сегнетоэлектрикам (сегнетоэлектреты), тканям живого организма (биоэлектреты). При фиксировании ориентированных в электрическом поле диполей и смещенных ионов химическим путем, например, вулканизацией, получают хемоэлектреты. 

Важнейшей характеристикой электретов, определяемой экспериментально, является эффективная поверхностная плотность зарядов (?эф, Кл/м2), равная разности между гомо- и гетерозарядами. Другим параметром, характеризующим свойства электретов, является время релаксации зарядов ?р (время уменьшения заряда в e раз). Временем жизни электрета ?ж называется промежуток времени, в течение которого материал сохраняет электретные характеристики. У различных полимеров ?ж составляет 3 — 10 лет. 

Существует несколько традиционных областей применения электретов. Они применяются в качестве элементов: 
* преобразователей механических, тепловых, акустических (микрофонах), оптических, радиационных и др. сигналов в электрические (в импульсы тока), 
* запоминающих устройств, 
* электродвигателей, 
* генераторов; 
* фильтров и мембран; 
* противокоррозионных конструкций; 
* узлов трения; 
* систем герметизации; 
* медицинских аппликаторов, антитромбогенных имплантатов

Электрическая структурная схема предлагаемого пеленгатора включает в частности звукоприемники: каждый из которых включает в себя конденсаторный или электретный микрофон, предварительный усилитель микрофонного сигнала, фильтр нижних частот (ФНЧ) и источник постоянного тока, помещенные в куполообразный ветрозащитный корпус, в верхней части которого вмонтирован шаровой уровень, позволяющий устанавливать рабочие оси микрофонов вертикально (это обеспечивает круговую НХН их в горизонтальной плоскости).  

При этом решаются следующие задачи: принимают акустические сигналы и помехи из окружающего пространства; преобразуют их в электрические сигналы (ЭС) и помехи; выделяют эти сигналы из указанной смеси сигналов и помех; ослабляют влияние ветровых помех, предотвращают попадание влаги к их устройствам и передают сигналы, а также помехи, амплитудный спектр которых одинаков с амплитудно-частотной характеристикой ФНЧ, в резонансные усилители (РУ). 

Звукоприемники фронтальный и тыловой по своему составу аналогичны остальным, но корпус у них одинаков с корпусом ЗП.

Пьезоэлектрические микрофоны

⇐ ПредыдущаяСтр 79 из 109Следующая ⇒

Рис. 12.4.Пьезоэлектрический микрофон

Для разработки простых мик­рофонов может использовать­ся пьезоэлектрический эффект. Пьезоэлектрический кристалл является прямым преобразова­телем механического напряже­ния в электрический заряд. Наиболее часто используемым материалом для изготовления датчиков является пьезоэлект­рическая керамика, которая может работать на очень высо­ких частотах. По этой причине пьезоэлектрические датчики применяются для пре­образования ультразвуковых волн (раздел 7.6 главы 7). Такие датчики также исполь­зуются и в звуковом диапазоне, пьезоэлектрические микрофоны часто можно встре­тить в разнообразной аудиоаппаратуре. Примерами применения пьезоэлектричес­ких акустических датчиков являются управляемые голосом устройства и аппараты для измерения кровяного давления. На рис. 12.4 показана схема простого микро­фона, подходящего для этих случаев. Он состоит из пьезоэлектрического керами­ческого диска с двумя электродами, нанесенными на него с двух сторон. Электро­ды соединяются с проводами либо при помощи токопроводящей эпоксидной смо­лы, либо методом пайки. Поскольку такие микрофоны обладают очень высоким выходным импедансом, они должны подключаться к усилителю с высоким вход­ным импедансом.

Пьезоэлектрические пленки из поливинилидена фторида (PVDF) и сополимеров

Рис. 12.5. Пьезоэлектрический звукоснима­тель складного типа (А), устройство гидро­фона на основе свернутых PVDF пленок

использовались в течение многих лет для производства звукоснимателей для музы­кальных инструментов [7]. Одним из пер­вых применений пьезопленок был звуко­сниматель для скрипки. Позже появились звукосниматели для акустических гитар. Пьезоэлектрические звукосниматели об­ладают очень высоким качеством воспро­изведения, что послужило тому, что на их базе были разработаны датчики вибраций и акселерометры. Поскольку PVDF име­ет очень низкую добротность, у таких пре­образователей нет авторезонанса, какуке-рамических звукоснимателей. На рис. 12.5А показана конструкция экраниро­ванного звукоснимателя. Чувствительным является электрод, расположенный на внутренней стороне складной структуры. Он имеет несколько меньшие

размеры, чем второй электрод, выполняющий роль экрана. Такой звукосниматель об­ладает лучшей чувствительностью, чем традиционные звукосниматели. Для построе­ния гидрофонов, работающих в воде, пленка может быть свернута в виде трубок, со­единенных параллельно (рис. 12.5Б).

Электретные микрофоны

Рис. 12.6. Структура электретного микрофона. Тол­щина слоев на рисунке значительно увеличена для облегчения понимания принципа действия этого устройства. [9]

Электретные материалы являются близкими родственниками пьезо- и пироэлек-триков. На самом деле все они являются электретными материалами с ярко выра­женными либо пьезоэлектри­ческими, либо пироэлектри­ческими свойствами. Электрет — это диэлектрический матери­ал кристаллической структуры с постоянной электрической поляризацией. Первое описа­ние применения электретных материалов для изготовления микрофонов и наушников дано в 1928 году [8]. Электретные микрофоны — это электроста­тические преобразователи, со­стоящие из металлизированной электретной диафрагмы и ме­таллической пластины, отде­ленных друг от друга воздуш­ным зазором (рис. 12.6)

Верхний слой металлизации и металлическая пластина соединены друг с дру­гом через резистор R. Напряжение на этом резисторе усиливается и используется в качестве выходного сигнала микрофона. Поскольку электрет является электри­чески поляризованным диэлектриком, плотность заряда на его поверхности о, является постоянной величиной. Этот заряд приводит к формированию в воз­душном зазоре электрического поля E_vКогда акустическая волна ударяется о ди­афрагму, она отклоняется вниз, уменьшая воздушный зазор s_xна величину As. От­клонение диафрагмы приводит к появлению на электродах напряжения:

(12.2)

Фазы изменения напряжения и отклонения диафрагмы совпадают. Если датчик обладает емкостью С, уравнение (12.2) изменится:

(12.3)

где f — частота звуковой волны.

Возвратные силы, действующие на мембрану, определяются упругостью возду­ха в зазоре, эффективная толщина которого равна s₀, и механическим напряжени­ем мембраны Т. Считая величину потерь незначительной, зависимость перемеще­ния мембраны As от величины звукового давления Dр можно записать в виде [10]:

(12. 4)

где g— удельная теплоемкость, r₀— атмосферное давление, А — площадь диафраг­мы. Если считать, что чувствительность микрофона определяется выражением: d_m=DV/Dp, ее значение в условиях резонанса можно найти из уравнения [9]:

(12.5)

Из последнего выражения видно, что чувствительность микрофона не зависит от площади диафрагмы. Если масса мембраны равна М, резонансная частота опре­деляется выражением:

(12.6)

Эта частота должна быть значительно выше верхней частоты рабочего диапазона микрофона.

Электретные микрофоны отличаются от других аналогичных устройств тем, что им для работы не требуется дополнительного источника постоянного напряже­ния. Тогда как при таких же размерах и чувствительности на емкостной микрофон необходимо подавать напряжение выше 100 В. Механическое напряжение диаф­рагмы обычно довольно маленькое (около 10 Н/м), поэтому возвратная сила опре­деляется, в основном, сжимаемостью воздушного зазора. Для изготовления диаф­рагмы иногда используют Teflon FEP (FEP — фторированный этилен пропилен). Температурная чувствительность электретных микрофонов составляет порядка 0.03 дБ/°С в диапазоне температур —10…+50°С [11].

Электретные микрофоны обладают рядом достоинств: они могут работать в широком частотном диапазоне от 10 ³ Гц до сотен Мгц, у них плоская частотная характеристика (в пределах ± 1дБ), они обладают: низким уровнем нелинейных искажений, высокой виброустойчивостью, хорошей реакцией на импульсное воз­мущение и нечувствительностью к магнитным полям. Чувствительность элект­ретных микрофонов составляет порядка нескольких мВ/мкбар.

Для работы в инфразвуковом диапазоне в металлической пластине электрет­ных микрофонов проделываются отверстия для выравнивания давления. Также здесь часто требуется подача дополнительного напряжения смещения (как в ем­костном микрофоне) для усиления поляризации.

Электретные микрофоны обладают высоким импедансом, поэтому интерфей­сные схемы для работы с ними должны иметь высокий входной импеданс. До не­давнего времени на входе интерфейсных плат всегда стояли полевые транзисто-

ры. Теперь все большую популярность завоевывают монолитные усилители. При­мером таких усилителей служит LMV1014 (National Semiconductors), являющий­ся звуковым усилителем с очень низким потреблением тока (38 мкА), работаю­щий от небольшой батарейки напряжением 1.7…5 В.

⇐ Предыдущая72737475767778798081828384858687Следующая ⇒

 

Поиск по сайту:

Пьезоэлектрический МЭМС-микрофон для прослушивания ZeroPower — SEN-15554

Этот продукт имеет ограничения на доставку, поэтому его варианты доставки могут быть ограничены или не могут быть отправлены в следующие страны:

• Афганистан
• Албания
• Алжир
• Американское Самоа
• Андорра
• Ангола
• Ангилья
• Антарктида
• Антигуа и Барбуда
• Аргентина
• Армения
• Аруба
• Австралия
• Австрия
• Азербайджан
• Багамы
• Бахрейн
• Бангладеш
• Барбадос
• Беларусь
• Бельгия
• Белиз
• Бенин
• Бермуды
• Бутан
• Боливия
• Босния и Герцеговина
• Ботсвана
• Остров Буве
• Бразилия
• Британская территория в Индийском океане
• Бруней-Даруссалам
• Болгария
• Буркина-Фасо
• Бурунди
• Камбоджа
• Камерун
• Канада
• Кабо-Верде
• Каймановы острова
• Центральноафриканская Республика
• Чад
• Чили
• Китай
• Остров Рождества
• Кокосовые (Килинг) острова
• Колумбия
• Коморские острова
• Конго
• Острова Кука
• Коста-Рика
• Кот д’Ивуар
• Хорватия
• Кипр
• Чехия
• Дания
• Джибути
• Доминика
• Доминиканская Республика
• Восточный Тимор
• Эквадор
• Египет
• Сальвадор
• Экваториальная Гвинея
• Эритрея
• Эстония
• Эфиопия
• Фолклендские (Мальвинские) острова
• Фарерские острова
• Фиджи
• Финляндия
• Франция
• Французская Гвиана
• Французская Полинезия
• Южные территории Франции
• Габон
• Гамбия
• Грузия, Республика
• Германия
• Гана
• Гибралтар
• Греция
• Гренландия
• Гренада
• Гваделупа
• Гуам
• Гватемала
• Гвинея
• Гвинея-бисау
• Гайана
• Гаити
• Острова Херд и Макдональд
• Гондурас
• Гонконг
• Венгрия
• Исландия
• Индия
• Индонезия
• Ирак
• Ирландия
• Израиль
• Италия
• Ямайка
• Япония
• Иордания
• Казахстан
• Кения
• Кирибати
• Кувейт
• Кыргызстан
• Лаос
• Латвия
• Ливан
• Лесото
• Либерия
• Ливия
• Лихтенштейн
• Литва
• Люксембург
• Макао
• Македония, Республика
• Мадагаскар
• Малави
• Малайзия
• Мальдивы
• Мали
• Мальта
• Маршалловы Острова
• Мартиника
• Мавритания
• Маврикий
• Майотта
• Мексика
• Микронезия, Федеративные Штаты
• Молдова
• Монако
• Монголия
• Черногория
• Монтсеррат
• Марокко
• Мозамбик
• Мьянма
• Намибия
• Науру
• Непал
• Нидерланды
• Нидерландские Антильские острова
• Новая Каледония
• Новая Зеландия
• Никарагуа
• Нигер
• Нигерия
• Ниуэ
• Остров Норфолк
• Северные Марианские острова
• Норвегия
• Оман
• Пакистан
• Палау
• Панама
• Папуа-Новая Гвинея
• Парагвай
• Перу
• Филиппины
• Питкэрн
• Польша
• Португалия
• Пуэрто-Рико
• Катар
• Воссоединение
• Румыния
• Россия
• Руанда
• Сент-Китс и Невис
• Сент-Люсия
• Сент-Винсент и Гренадины
• Самоа
• Сан-Марино
• Сан-Томе и Принсипи
• Саудовская Аравия
• Сенегал
• Сербия
• Сейшелы
• Сьерра-Леоне
• Сингапур
• Словацкая Республика
• Словения
• Соломоновы Острова
• Сомали
• Южная Африка
• Южная Георгия и Южные Сандвичевы острова
• Южная Корея
• Испания
• Шри-Ланка
• Сент-Хелена
• Сен-Пьер и Микелон
• Суринам
• Острова Шпицберген и Ян-Майен
• Свазиленд
• Швеция
• Швейцария
• Тайвань
• Таджикистан
• Танзания, Объединенная Республика
• Таиланд
• Того
• Токелау
• Тонга
• Тринидад и Тобаго
• Тунис
• Турция
• Туркменистан
• Острова Теркс и Кайкос
• Тувалу
• Уганда
• Украина
• Объединенные Арабские Эмираты
• Соединенное Королевство
• Малые отдаленные острова США
• Уругвай
• Узбекистан
• Вануату
• Город-государство Ватикан (Святой Престол)
• Венесуэла
• Вьетнам
• Виргинские острова (Британия)
• Виргинские острова (США)
• Острова Уоллис и Футуна
• Западная Сахара
• Йемен
• Югославия
• Заир
• Замбия
• Зимбабве

Некоторые товары доставляются через третьих лиц.

Чтобы наш каталог был полным и постоянно расширялся, SparkFun сотрудничает с несколькими компаниями для доставки избранного списка наших продуктов.

Что это значит для меня?

1. Заказанные товары могут быть доставлены в разные даты
2. Заказанные товары могут быть доставлены в другой упаковке
3. SparkFun будет продолжать заниматься поддержкой и возвратом этих товаров

Есть другие вопросы?

1. Ознакомьтесь с нашей полной политикой прямой доставки
2. Электронная почта [email protected]
3. Позвоните нам по телефону 303-284-0979

• Дом
• Категории товаров
• Звук
• Пьезоэлектрический МЭМС-микрофон ZeroPower для прослушивания

В наличии SEN-15554 RoHS

---

$ 2,95

Наличие на складе

Примечание: Обратите внимание, что этот продукт имеет ограничения на доставку в некоторые страны.
Какие страны?

Примечание: Обратите внимание, что этот продукт доставляется только внутри США

.

Избранное Любимый 3

Список желаний

• Описание
• Функции

VM1010 — первая в мире пьезоэлектрическая МЭМС ZeroPower ListeningTM. микрофон. Он обеспечивает постоянное прослушивание со сверхнизким энергопотреблением, принося голос активация на потребительских устройствах с батарейным питанием.

VM1010 — малошумящий несимметричный аналоговый Микрофон MEMS с режимом пробуждения по звуку что позволяет обнаруживать голосовую активность во время потребляя всего 10 мкА тока питания (или 18 мкВт мощности). В этом режиме пробуждения по звуку микрофон улавливает звуки в голосовом диапазоне выше настраиваемого акустического порога. Когда микрофон обнаруживает звук выше порог, он мгновенно оповещает систему о акустическое событие. Затем система может переключаться VM1010 в нормальный режим с полным звуком выход в течение 200 мкс. Это достаточно быстро для VM1010 для захвата звука, превосходящего порог и отправить его в систему для обработка. Это создает системную архитектуру для прослушивания ZeroPower.

Режим пробуждения по звуку устройства VM1010 обеспечивает голосовую активацию при питании от батареи. потребительские устройства — потребляя при этом почти нулевое энергопотребление, что делает его идеальным для устройств с голосовым интерфейсом, таких как интеллектуальные динамики, пульты от телевизора, интеллектуальные наушники и интеллектуальные устройства. товары для дома. VM1010 имеет небольшой корпус размером 3,76 мм X 2,95 мм X 1,3 мм и имеет оплавление. совместим с припоем без снижения чувствительности. Он работает в экологически в суровых условиях, поскольку он устойчив к пыли и влаге.

• Технология прослушивания ZeroPower
• Полный аудиовыход после пробуждения
• Возможность обнаружения голоса всего с 18 мкВт режим
• Продлевает срок службы батареи до 10 раз
• Пыленепроницаемость до IP5x

• Комментарии 1
• Отзывы 0

Отзывов пока нет.

База знаний LOM: исследование: contact_mics

Это совместная статья, посвященная различным аспектам изготовления контактных микрофонов и контактных микрофонных предусилителей (буферов или преобразователей импеданса).

Контактные микрофоны

Микрофон преобразует акустическую энергию в электрическую энергию, преобразуя звук в напряжение. Большинство известных нам микрофонов реагируют на волны звукового давления в воздухе. Контактные микрофоны полезны для выполнения другой функции, для передачи вибраций, возникающих в твердом материале . Обычно их прикрепляют к рассматриваемому материалу с помощью сильного давления, клейкой ленты, присоски или другим способом.

Большинство контактных микрофонов изготовлены из пьезоэлектрического материала , материала, который высвобождает электрический заряд в условиях стресса (или физического давления). Это объясняет, почему они в просторечии известны как piezos .

Наиболее распространенной формой пьезоэлектрического контактного микрофона является металлический диск, но пьезоэлементы также могут быть в цилиндрах или в виде тонкопленочного покрытия. Как и все преобразователи, пьезодиск можно использовать в противоположном приложении: индуцированное электричество заставит диск вибрировать и даже резонировать с определенной высотой звука. По этой причине пьезодиски также используются в динамиках (особенно твиттерах) и зуммерах.

Пьезокерамический диск	Пьезокерамический цилиндр	Пьезокерамическая пленка	Пьезокерамический стержень

Пьезоэлектрические диски недороги и их легко найти. Однако в необработанном виде у них есть несколько проблем, которые могут негативно сказаться на качестве звука: резонанс , чувствительность к электрическим помехам и очень высокий импеданс .

Проблемы пьезоэлектрических контактных микрофонов

Резонанс

Дисковые пьезоэлементы не определяют частоты вибрации линейным образом. Хотя они могут иметь расширенный частотный диапазон, они имеют характерный резонанс, который зависит от диаметра диска. Этот резонанс обычно составляет от 2 до 6 кГц, производя «металлический» или «хонки» звук. Резонанс можно уменьшить, увеличив массу диска. Однако это может негативно сказаться на общей чувствительности элемента. Хорошей стратегией является увеличение массы металлической части без чрезмерной нагрузки на центральную керамическую часть.

Помехи

Неэкранированный пьезодиск действует как антенна для электромагнитных помех (EMI), улавливая паразитные сигналы из своего окружения. Одним из решений является покрытие элемента медной лентой, соединенной с заземлением системы. Это создает экран электромагнитных помех, точно так же, как внешний плетеный проводник в микрофонном или гитарном кабеле.

Полное сопротивление

Пьезоэлектрические элементы являются емкостными, что означает, что их импеданс обратно пропорционален частоте. Чем ниже частота, тем выше их импеданс (калькулятор импеданса). Это обычно приводит к затуханию низких частот, когда контактный микрофон подключен к предусилителю, что объясняет характерный «жестяной» звук, который ощущают многие слушатели. Пьезоэлемент на самом деле имеет широкую частотную характеристику, но в большинстве схем бас скатывается, и это усугубляется резонансными пиками (как обсуждалось выше).

Другой способ выразить это состоит в том, что импеданс контактного микрофона не «хорошо согласован» с типичными аудиовходами. Датчики Piezos должны работать при высоком импедансе (более 1 МОм). Типичный линейный вход аудиомикшера имеет входное сопротивление около 50 кОм. Это формирует фильтр верхних частот (ФВЧ) с частотой 200 Гц с типичными пьезоэлементами. Что еще хуже, вход микрофона на многих микшерах и предусилителях имеет импеданс около 1,5 кОм. Это приводит к HPF с частотой 1 кГц, полностью исключая низкие частоты.

Решение состоит в том, чтобы «буферизировать» контактный микрофон. Схема, выполняющая эту функцию, называется преобразователем импеданса. Строго говоря, он не обязательно усиливает сигнал. Но он согласовывает выходной импеданс пьезоэлемента с входным импедансом микшеров и предусилителей. Это поддерживает естественную частотную характеристику пьезопреобразователя и снижает уровень шума в цепи.

Преобразователи импеданса

Существует два основных типа преобразователей импеданса: те, которые основаны на пассивной схеме, и те, которые используют активную схему. Их основной задачей в каждом случае является согласование сигнала с высоким импедансом с входным сигналом с низким импедансом. Они также часто преобразуют несимметричный выход в симметричный, поэтому несимметричный сигнал с высоким импедансом от пьезоэлемента затем можно использовать с балансным микшером или предусилителем с низким импедансом. Это также позволяет использовать более длинный кабель без риска электрических помех или ухудшения сигнала. Наконец, преобразователь импеданса может гарантировать, что уровень сигнала находится на соответствующем уровне для микрофонного входа.

Устройства, выполняющие все три эти функции, известны музыкантам как коробки DI (Direct Inject). Эти устройства используются в студиях звукозаписи для надлежащего согласования сигналов инструментов (скажем, электробас-гитары) с микрофонным входом на микшерном пульте. Некоторые микшеры имеют входы со встроенной схемой. Эти входы могут иметь переключатели с пометкой «instrument» или «high-Z» (где «Z» означает импеданс).

Пассивный преобразователь импеданса работает на основе согласования импеданса или шунтирования импеданса. Часто они просто используют катушку трансформатора между входом и выходом. Количество витков катушки на каждой стороне трансформатора определяет коэффициент импеданса. Таким образом, имея много обмоток на входе трансформатора и лишь несколько на выходе, пьезоэлемент будет иметь вход с высоким импедансом, но выходной сигнал трансформатора будет хорошо подходить для использования со смесителем или предусилителем с низким импедансом. Это решение имеет ряд преимуществ, включая низкую стоимость, низкий уровень шума и отсутствие энергопотребления. Однако амплитуда сигнала обязательно падает. Для обеспечения точности необходимо использовать предусилитель со значительным чистым коэффициентом усиления. Это не проблема в студии, но может быть проблемой при использовании портативного или бытового записывающего оборудования.

Hosa производит типичный адаптер для преобразования 50 кОм, типичного импеданса магнитного звукоснимателя электрогитары, в 200 Ом, типичного входного сопротивления аудиомикшера. Следовательно, это устройство не оптимизировано для пьезодисков, но может обеспечить частичное решение.

Преобразователь активного импеданса содержит реальную схему усилителя, основанную либо на полевых транзисторах (FET), операционных усилителях, либо на электронной лампе. Преобразователи активного импеданса могут питаться от батарей, стандартной розетки или фантомного питания, обеспечиваемого микшером или записывающим устройством. Преобразователи активного импеданса более сложны и часто дороже, чем их пассивные аналоги, но они могут быть оптимизированы для выполнения своей задачи. При использовании соответствующего активного преобразователя импеданса с пьезоконтактным микрофоном характеристики микшера, в частности доступное чистое усиление, становятся менее важными.

Полезные ресурсы и продукты

Схемы

Конструкции и схемы активных преобразователей импеданса доступны во многих онлайн-источниках.

• Дж. Дональд Тиллман описывает кабель предусилителя на полевых транзисторах с фантомным питанием.

• Алекс Райс опубликовал ранний дизайн, работающий от фантома. Сейчас офлайн.

• Зак Пофф оптимизировал работу Райс, предоставил файлы доски Eagle.

• Дэйв Мюррей Раст предоставляет файлы для схемы Poff, спроектированной так, чтобы быть как можно меньше.

• Walter Harley имеет схему поверхностного монтажа, работающую от 9 В, оптимизированную для гитарных звукоснимателей.

• У Скотта Хелмке есть собственная версия дизайна Харли.

• Richard M. имеет решение с низким уровнем шума.

• Мартин Наврат предоставляет файлы платы Eagle для буфера, работающего от 3 В.

• Collin Cunningham предлагает еще одно решение на 9 В.

Продукты

Следующие продукты доступны для покупки.

Пассивные преобразователи импеданса:

• Hosa MIT-129 – пассивный согласующий трансформатор импеданса. Не требует фантомного питания, но требует высокого коэффициента усиления на предварительном усилителе.

Активные преобразователи импеданса:

• Aquarian Audio продает усилитель для гидрофонов PA1 с питанием от PIP или фантома.

• Zeppelin продает контактный микрофон Cortado Balanced Buffered Contact Mic за 25 долларов США (комплект) или 45 долларов США (в сборе). Фантомное питание.

• Уолтер Харли продает буфер PZP-1 Piezo за 49 долларов. Использует батарею 9В.

• Yann Seznec производит бутиковые усилители, основанные на схеме Zach Poff.

• Triton Audio BigAmp Piëzo — пьезобуфер с фантомным питанием

• CTACT Box от Pulp Logic представляет собой преобразователь импеданса с питанием от батарейки типа «таблетка»

• Radial StageBug™ SB-4 Piezo DI с фантомным питанием «активный DI, оптимизированный для пьезопреобразователей»

• Stompville Phantom Piezo Preamp — модуль пьезопредусилителя с фантомным питанием

Прочие ресурсы

• Первое правило клуба CONTACT MIC Тима Преббла

• Сборка контактных микрофонов Зака ​​Поффа

• Микрофоны, гидрофоны, датчики вибрации: Rolling Your Own, Дэвид Данн

Кредиты

Авторы, редакторы и участники (в алфавитном порядке):
Тилль Боверманн, Йонас Груска, Джерри Ли Марсель, Робин Пармар, Терри Сеттер
Видео Йонаса Груски

Расчет уровней акустического давления высокой интенсивности на основе выходной чувствительности заряда пьезоэлектрического микрофона

»

Вопрос

Я использую пьезоэлектрический акустический преобразователь Endevco ^® модели 2510 для контроля уровней высокоинтенсивного звукового давления, обычно возникающего при запуске ракеты. Учитывая пьезоэлектрические рабочие характеристики преобразователя, возможно ли также рассчитать уровни звукового давления в децибелах? Если да, то как это достигается?

Ответ

В качестве пьезоэлектрического микрофона акустический преобразователь Endevco ^® модель 2510 представляет собой устройство, излучающее заряд. Таким образом, его выходной заряд измеряется в пико-Кулонах (пКл). For reference purposes, we refer to the following formula for calculating pC units of measurement:

• 
  
  1 pC = 1 x 10
  
  

^-12

• 
  
  Coulomb
  
  

Где: 1 Кулон = количество заряда, переносимого за 1 ампер-секунду

Уровни акустического звукового давления (УЗД) обычно измеряются в децибелах (дБ). На них обычно ссылаются при абсолютном пороге слышимости (ATH) или слуховом пороге. ATH — это эмпирически полученное число, отражающее минимальный уровень чистого тона, который способно слышать среднее человеческое ухо. Термин «уровень звукового давления в децибелах» (дБ SPL) просто относится к взаимосвязи между измеренным звуковым давлением и «абсолютным порогом слышимости» (ATH).

ATH обозначается как среднеквадратичное звуковое давление 20 мкПа (микропаскалей), или 2 x 10 ^-5 паскалей (Па) или 2,9 x 10 ^-9 в английской системе. Эта единица измерения также зависит от частоты, обычно в диапазоне от 1 кГц до 5 кГц. Принятая единица измерения уровня звукового давления представляется в логарифмической шкале (дБ УЗД) из-за ее широкого динамического диапазона.

Пьезоэлектрический микрофон Endevco ^® модели 2510 был специально разработан для измерения высокоинтенсивного звукового давления в диапазоне от 100 до >180 дБ SPL при температурах до +260°C.

Уравнение 1 ниже показывает общую формулу для правильного расчета дБ SPL в английской системе. Важно отметить, что мощность заряда Endevco ^® модели 2510 линейно зависит от уровня акустического давления, воздействующего на его диафрагму, в заданном диапазоне измерений.

Уравнение 1:

• 
  
  дБ SPL = 20 log P
  
  

_{i 7}

9
• 91
  / 2.9 x 10
  
  

^-9

Where:

• 
  
  
  
  • 
    
    P
    
    
  
  
  
  

_i

• 
  
  
  
  • 
    
    = Sound pressure in PSI
    
    
  
  
  
  

 

• 
  
  
  
  • 
    
    2. 9 x 10
    
    
  
  
  
  

^-9

• 
  
  = Threshold of hearing in PSI
  
  

From the published performance specifications of the Endevco ^® model 2510, we know that значение чувствительности к заряду (типичное) составляет 1069 пКл/среднеквадратичное значение на кв. дюйм. Это можно переписать, как показано в уравнении 2 ниже:

Уравнение 2:

• 
  
  1069 = pC
  
  

_rms

• 
  
  /P
  
  

_i

• 
  
  , P
  
  

_i

• 
  
  = pC
  
  

_rms

• 
  
  /1069
  
  

Where:

• 
  
  
  
  • 
    
    P
    
    
  
  
  
  

_i

• 
  
  
  
  • 
    
    = sound pressure in units of PSI
    
    
  
  
  
  

 

• 
  
  
  
  • 
    
    ПК
    
    
  
  
  
  

_{действ. 0473}

Здесь представлены два общепринятых метода для получения значений дБ SPL из известной выходной чувствительности заряда модели 2510. Первый метод рассчитывается с использованием уравнения 3, приведенного ниже. В качестве альтернативы эти значения также могут быть представлены графически, как показано на рисунке 1.

Таким образом, в первом методе мы объединяем уравнение 1 и уравнение 2 в уравнение 3, чтобы определить значения дБ SPL следующим образом:

Объединение Уравнения 1 и 2:

• 
  
  dB SPL = 20 log (pC
  
  

_rms

• 
  
  /1069)/2.9 x 10
  
  

^-9

Equation 3 :

• 
  
  dB SPL = 20 log pC
  
  

_rms

• 
  
  /3. 1 x 10
  
  

^-6

Краткий пример применения: во время запуска ракеты, когда измеряются уровни акустического давления, мы знаем, что микрофон Endevco ^® модели 2510 выдает 15 пКл _{среднеквадратичное значение} . To accurately determine the acoustic sound level in dB SPL to which this output corresponds, using the formulas shown in Equation 3:

• 
  
  dB SPL = 20 log pC
  
  

_rms

• 
  
  /3.1×10
  
  

^-6

DB SPL = 20 Log 15 /3,1×10 ^-6

. Правильный ответ:

DB SPL = 133.7777777777877878787878787878787878787878787878787878787878787878787 можно использовать метод 2 для выравнивания графических точек, как показано на рис. 1:

описание этой формулы и связанных с ней расчетов, или для получения дополнительной информации о Endevco ^® , модель 2510, пьезоэлектрический акустический преобразователь, см. Технический документ «TP278» на сайте www.endevco.com или нажмите здесь, чтобы просмотреть страницу продукта.

Прямоугольный пьезоэлектрический направленный микрофон MEMS Bio-Inspired

• title={Вдохновленный биотехнологиями прямоугольный пьезоэлектрический направленный микрофон MEMS}, автор = {Ашикур Рахаман и Асиф Ишфаке, а также Хэиль Юнг и Бьюнгки Ким}, journal={Журнал датчиков IEEE}, год = {2019}, объем = {19}, страницы = {88-96} }
  • Ashiqur Rahaman, A. Ishfaque, Byungki Kim
  • Опубликовано в 2019 г.
  • Physics, Engineering
  • IEEE Sensors Journal

  Минимальный уровень шума пьезоэлектрического MEMS-микрофона во многом зависит от режимов пьезоэлектрического преобразователя и пьезоэлектрических материалов. Тщательный выбор этих параметров (пьезоэлектрических материалов и режимов преобразователя) может помочь значительно снизить уровень шума. Здесь мы представляем уникальный направленный биомиметический МЭМС-микрофон на основе диафрагмы, имеющий многопортовые схемы восприятия. Диафрагма разделена на два крыла и поддерживается двумя торсионными балками, которые шарнирно соединены с… 

  View on IEEE

  doi.org

  Effect of Torsional Beam Length on Acoustic Functionalities of Bio-Inspired Piezoelectric MEMS Directional Microphone

  • Ashiqur Rahaman, A. Ishfaque, Byungki Kim

  • Engineering, Physics

    IEEE Sensors Журнал

  • 2019

  В МЭМС колебания торсионно-поддерживаемых диафрагм во многом зависят от характеристик торсионной балки. Неправильный выбор параметров пучка может привести к существенному несовершенству…

  Связанный D33 На основе режима на основе режима на основе режима на основе биоэлектрического пьезоэлектрического MEMS.

  было идентифицировано как используемое в многопроекционных приложениях виртуальной реальности, таких как виртуальные встречи для проецирования камер. In…

  Локализация источника звука с помощью малошумящего пьезоэлектрического направленного микрофона MEMS, вдохновленного Ormia ochracea

  • Ashiqur Rahaman, Byungki Kim

  • Physics, Engineering

    Scientific Reports

  • 2020

  Спроектированный биологический направленный микрофон был изготовлен с использованием результатов PMUMPly и BDM, доступных в коммерческих целях. находится в идеальном соответствии с заданным углом падения звука.

  Разработка и определение характеристик пьезоэлектрического акустического датчика MEMS с повышенным отношением сигнал/шум

  • Ashiqur Rahaman, Chung Hyuk Park, Byungki Kim

  • Физика, Инженер

  • 2020

  Дизайн и изготовление пейзоэлектрических мемс.

  Кремний

• 2021

Это исследование иллюстрирует проектирование, моделирование и изготовление пьезоэлектрического акустического датчика на основе ZnO для использования в аэроакустических измерениях. В аэроакустике измерение высокого звука…

Micromachined Piezoelectric Acoustic Sensor with Enhanced SNR for Audio Applications

• Ashiqur Rahaman, Byungki Kim

• Engineering, Physics

  2019 IEEE SENSORS

• 2019

A MEMS piezoelectric acoustic sensor (PAS) with enhanced signal- отношение к шуму (SNR) может быть продуктивным в аудиоприложениях. Примечательно, что одновременное улучшение чувствительности и уровня шума может…

Локализация источника звука в 2D с помощью пары направленных микрофонов MEMS, созданных на основе биотехнологий

Большинство работ по локализации источника звука (SSL), вдохновленных мухой Ormia ochracea, ограничены 1D, и поэтому SSL в 2D может включать новое видение неоднозначных акустических приложений. В этой статье…

Биомиметическая направленная микрофонная решетка размером в миллиметр для локализации источника звука в трех измерениях

Уши мухи Ormia ochracea были хорошо изучены и имитированы для достижения направленного восприятия субволновой длины, но их эффективность в локализации источника звука в трех измерениях, используя звук из…

AI speaker: a scope of utilizing sub–wavelength directional sensing of bio–inspired MEMS directional microphone

• Ashiqur Rahaman, Byungki Kim

• Physics

  2020 IEEE Sensors

• 2020

The AI ​​speaker, designed для использования трех биологически вдохновленных направленных микрофонов MEMS для локализации входящего звука, было экспериментально измерено в безэховой камере с одновременным применением нескольких источников с разными частотами.

Fly-Inspired MEMS Направленный акустический датчик для определения направления источника звука

• Ашикур Рахаман, Бьюнгки Ким

• Инженерное дело

  20-я Международная конференция по полупроводниковым датчикам, актуаторам, микросистемам и евросенсорам, 2019 г.)

• 2019

Сообщается о новом подходе SSD, основанном на косинусной зависимости каждого крыла направленного пьезоэлектрического МЭМС-микрофона, а не на разнице во времени прибытия (TDOA), что позволит осуществлять непрерывный мониторинг нежелательного шума.

с показателем 1-10 из 36 ссылок

Sort Byrelevancemost, под влиянием Papercersency

Пьезоэлектрический микрофон Aln Mems для аэроакустических применений

• M. D. Williams, B. Griffin, T. N. Rean, J. R. Mondbrink, M. Sheplak
9965656565656565656565656565965965965965965965965965965965965965965965965965965965965965965
• 65965
• 65965
• 65965965965.

  Journal of Microelectromechanical Systems

• 2012

В этом документе описывается разработка микромеханического микрофона для массивов фюзеляжа самолета, который используется специалистами по аэроакустике для выявления источников авиационного шума и/или оценки…

MEMS направленный датчик звука с одновременным обнаружением двух частотных полос

• Michael Touse, J. Sinibaldi, G. Karunasiri

• Физика

  2010 пространственно разнесенных микрофонов для определения направленности путем контроля времени прихода сигнала и амплитуды на каждом микрофоне. Анализ…

  Анализ демпфирования биомиметического микромеханического микрофона для определения источника звука с помощью пленки

  • A. Ishfaque, Byungki Kim

  • Engineering

  • 2016

  D33 Режим пьезоэлектрической диафрагмы на основе акустического преобразования, Z.Hong, Z.Hong, Z.Hong W.

• Физика

• 2013

A МЭМС малошумящий микрофон с градиентом звукового давления и емкостным датчиком

• R. Miles, W. Cui, Q. Su, D. Homentcovschi
5 Physics

003

Journal of Microelectromechanical Systems

• 2015

Описан кремниевый микроэлектромеханический системный микрофон, обнаруживающий градиенты звукового давления. Диафрагма состоит из жесткой пластины, которая вращается вокруг центральной оси в ответ на…

Пьезоэлектрические микрофоны с микрообработкой в ​​плоскости

• М. Кунцман, Н. Хева-Касакараге, Александро Роча, Донхван Ким, Н. Холл

• Физика, инженерия

  IEEE Sensors Journal

• 2015

В этой статье представлены изготовление, моделирование и определение характеристик микромеханического пьезоэлектрического направленного микрофона. Структура микрофона состоит из полужесткой балки толщиной 20 мкм…

Разработка микромеханического пьезоэлектрического микрофона для аэроакустических приложений.

• С. Горовиц, Т. Нисида, Л. Каттафеста, М. Шеплак

• Инженерия, физика

  Журнал Акустического общества Америки

• 2007

В этом документе описывается конструкция, изготовление и характеристики объемного микромеханического пьезоэлектрического микрофона для аэроакустических приложений и указана чувствительность 1,66 мкВПа, динамический диапазон более шести порядков (35,7–169 дБ, относительный 20 мкПа), емкость 10,8 нФ и резонансная частота 59,0 кГц.

Малошумящий дифференциальный микрофон, вдохновленный ушами паразитоидной мухи Ormia ochracea.

Чувствительность дифференциального микрофона снижается по мере уменьшения расстояния между двумя точками измерения давления, что приводит к увеличению минимального уровня шума входного звукового давления, но в описанном здесь микрофоне как тепловой шум диафрагмы, так и электронный шум сведены к минимуму за счет сочетания новой конструкции диафрагмы и использования оптического датчика с низким уровнем шума.

Низкочастотный двухдиапазонный операционный микрофон, имитирующий слух Ormia Ochracea

• Yansheng Zhang, R. Bauer, J. Jackson, W. Whitmer, J. Windmill, D. Uttamchandani

• Физика, инженерия

  Journal of Microelectromechanical Systems

• 2018

В этом документе представлен направленный МЭМС-микрофон, разработанный для применения в слуховых аппаратах, подходящих для низкочастотных нарушений слуха, вдохновленный слуховым механизмом мухи, самки ормии…

Изготовление и работа пьезоэлектрического генератора энергии на основе МЭМС для сбора энергии вибрации

• Hua-Bin Fang, Jingquan Liu, Yue Liu

• Engineering

  Microelectron. J.

• 2006

Пьезоэлектричество — Как это работает?

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 21 мая 2022 г. сегодня не раз. Если у вас есть кварцевые часы, пьезоэлектричество — это то, что помогает ему сохранять правильное время. Если вы были написать письмо или эссе на компьютере с помощью программное обеспечение для распознавания голоса, микрофон, в который вы говорили, вероятно, использовался пьезоэлектричество, чтобы превратить звуковую энергию вашего голоса в электрические сигналы, которые ваш компьютер может интерпретировать. Если вы немного меломан и любит слушать музыку на виниле, свой граммофон использовал бы пьезоэлектричество, чтобы «читать» звуки с ваши записи LP. Пьезоэлектричество (буквально «давящее электричество») намного проще, чем кажется: это просто означает использование кристаллов для преобразования механической энергии в электричество или наоборот. Давайте подробнее рассмотрим, как это работает и почему это так полезно!

Фото: Пьезоэлектрический привод, используемый NASA для различных испытаний. Фото предоставлено Исследовательским центром НАСА в Лэнгли (NASA-LaRC).

Содержание

1. Что такое пьезоэлектричество?
2. Что вызывает пьезоэлектричество?
3. Как работает пьезоэлектричество
4. Для чего используется пьезоэлектричество?
5. Сбор энергии с помощью пьезоэлектричества?
6. Кто открыл пьезоэлектричество?
7. Узнать больше

Что такое пьезоэлектричество?

Сожмите определенные кристаллы (например, кварц), и вы сможете сделать поток электричества через их. Обычно верно и обратное: если вы пропускаете электричество через те же кристаллы они «протискиваются» вибрируя взад и вперед. Короче говоря, это пьезоэлектричество. но ради науки давайте формальное определение:

Пьезоэлектричество (также называемое пьезоэлектрическим эффектом) появление электрического потенциала (другими словами, напряжения) по бокам кристалла, когда вы подвергаете его механическому стресс (при сдавливании).

На практике кристалл становится своего рода крошечная батарея с положительным зарядом на одной стороне и отрицательным зарядом на противоположном лице; ток течет, если мы соединим две грани вместе, чтобы сделать цепь. При обратном пьезоэлектрическом эффекте кристалл становится механически напряженным (деформируется по форме) при к его противоположным сторонам приложено напряжение.

Что вызывает пьезоэлектричество?

Подумайте о кристалле, и вы, вероятно, представите себе шары (атомы), закрепленные на стержнях (связи, которые держите их вместе), что-то вроде альпинистской рамы. Теперь по кристаллам, ученые не обязательно имеют в виду интригующие кусочки скалы, которые вы находите в сувенирных лавках: кристалл — научное название любого твердый чей атомы или молекулы расположены очень упорядоченным образом на основе бесконечные повторения одного и того же основного атомного строительного блока (называется элементарной ячейкой). Итак, кусок железо — такой же кристалл, как и кусок кварца. В кристалле то, что у нас есть, на самом деле меньше похоже на лазалки. (который не обязательно имеет упорядоченную повторяющуюся структуру) и больше похоже на трехмерные узорчатые обои.

Произведение искусства: Что ученые подразумевают под кристаллом: правильное, повторяющееся расположение атомов в твердом теле. Атомы практически неподвижны, но могут слегка вибрировать.

В большинстве кристаллов (таких как металлы) элементарная ячейка (основная повторяющаяся единица) симметрична; в пьезоэлектрических кристаллах это не так. Обычно пьезоэлектрические кристаллы электрически нейтральны: атомы внутри них могут быть не расположены симметрично, но их электрические заряды идеально сбалансированный: положительный заряд в одном месте компенсирует отрицательный зарядка рядом. Однако, если вы сожмете или растянете пьезоэлектрический кристалла, вы деформируете структуру, сближая часть атомов вместе или дальше друг от друга, нарушая баланс положительных и отрицательный и вызывающий появление чистых электрических зарядов. Этот эффект несет через всю структуру так чистый положительный и отрицательный заряды появляются на противоположных внешних гранях кристалла.

Обратно-пьезоэлектрический эффект происходит обратным образом. Положите напряжение на пьезоэлектрическом кристалле, и вы подвергаете атомов внутри него к «электрическому давлению». они должны двигаться балансировать себя — и это то, что заставляет пьезоэлектрические кристаллы деформируются (слегка меняют форму) при подаче напряжения через них.

Для чего используется пьезоэлектричество?

Фото: Типовой пьезоэлектрический преобразователь. Это звонок в моем стационарном телефоне: он издает особенно пронзительный и ужасный чирикающий звук, когда звонит телефон!

Существуют всевозможные ситуации, когда нам нужно преобразовать механическую энергию (давление или движение) в электрические сигналы или наоборот. Часто мы можем сделать это с помощью пьезоэлектрического преобразователя. преобразователь это просто устройство, преобразующее небольшое количество энергии из одного вида в другой (например, преобразование света, звука или механического давления в электрические сигналы).

В ультразвуковом оборудовании пьезоэлектрический преобразователь преобразует электрическую энергию в чрезвычайно быстрые механические колебания — фактически настолько быстрые, что издает звуки, но те, которые слишком высоки для наших ушей, чтобы услышать. Эти ультразвуковые колебания могут быть использованы для сканирование, очистка и многое другое.

В микрофон нам нужно преобразовать звуковая энергия (волны давления, проходящие через воздух) в электрическую энергию — и это что-то пьезоэлектрическое. кристаллы могут помочь нам с. Просто приклейте вибрирующую часть микрофон к кристаллу и, как напорные волны от твоего голоса прибудут, они заставят кристалл двигаться вперед и назад, создавая соответствующие электрические сигналы. «Игла» в граммофоне (иногда его называют проигрывателем) работает противоположным образом. Как игла с алмазным наконечником движется по спиральной канавке в вашей пластинке, она удары вверх и вниз. Эти вибрации толкают и тянут легкий пьезоэлектрический кристалл, генерирующий электрические сигналы, затем преобразуется обратно в слышимые звуки.

Фото: Стилус для проигрывателя грампластинок (фото снизу): Если вы все еще проигрываете грампластинки, вы будете использовать такой стилус для преобразования механических ударов на грампластинке в звуки, которые вы слышите. Игла (серебристая горизонтальная планка) содержит крошечный алмазный кристалл (маленькая точка на конце справа), который подпрыгивает вверх и вниз в канавке для записи. Вибрации искажают пьезоэлектрический кристалл внутри желтого картриджа, который генерирует электрические сигналы, которые усиливаются для создания звуков, которые вы слышите.

В кварцевых часах обратный пьезоэлектрический эффект используется для очень точного определения времени. Электрическая энергия от батареи подается в кристалл для заставить его колебаться тысячи раз в секунду. Затем часы используют электронная схема, превращающая это в более медленные удары с частотой один раз в секунду что крошечный мотор и некоторая точность шестерни используются для движения секундной, минутной и часовой стрелок вокруг циферблата.

Пьезоэлектричество также используется, но гораздо более грубо, в искровых зажигалках для газовых плит и барбекю. Нажмите выключатель прикуривателя, и вы услышите щелчок и увидеть искры появляются. Что вы делаете, когда вы нажимаете переключатель, сжимает пьезоэлектрический кристалл, генерирует напряжение и заставляя искру лететь через небольшой зазор.

Если у вас на столе стоит струйный принтер, он использует точные «шприцы» для распыления капель чернила на бумагу. Некоторые струйные принтеры разбрызгивают шприцы с помощью пьезоэлектрических кристаллов с электронным управлением, которые сжимают и выжимают их «плунжеры»; Пузырьковые струйные принтеры Canon сжигают чернила, вместо этого нагревая их. (Более подробную информацию об обоих методах вы найдете в нашей статье о струйных принтерах). Фото предоставлено НАСА.

Вы также обнаружите, что пьезоэлектричество играет роль в некоторых типах тензодатчиков. Если вы хотите определить, не слишком ли сильно вибрирует что-то вроде крыла самолета, привяжите к нему полоску пьезоэлектрического материала, и вы сможете измерить, насколько оно деформируется из-за тока, который оно генерирует при изгибе.

Сбор энергии с помощью пьезоэлектричества?

Если вы можете получить крошечную долю электричества, нажав один раз на один пьезоэлектрический кристалл, сможете ли вы получить значительное количество электричества, нажимая много кристаллов снова и снова? Что, если мы закопаем кристаллы под городскими улицами и тротуарами, чтобы улавливать энергию, когда мимо проезжают машины и люди? Эта идея, известная как сбор энергии привлек внимание многих людей. Изобретатели предлагали всевозможные идеи для хранения энергии с помощью скрытых пьезоэлектрических устройств, от обуви, которая преобразует ваши движения в тепло, чтобы согреть ваши ноги, и мобильных телефонов, которые заряжаются от движений вашего тела, до дорог, питающих уличные фонари, контактных линз, которые захватывают свет. энергию, когда вы моргаете, и даже гаджеты, которые производят энергию из давления падающего дождя.

Работа: Сбор энергии? Изобретатели подали множество патентов на носимые гаджеты, которые будут генерировать небольшое количество электричества от движений вашего тела. Этот пример представляет собой ботинок со встроенным пьезоэлектрическим преобразователем (1), который пружинит вверх и вниз при ходьбе, посылая электричество в цепь (2) и сохраняя его в батарее (3).

Сбор энергии — хорошая идея? На первый взгляд все, что сводит к минимуму потери энергии и повышает эффективность, кажется действительно разумным. Если бы вы могли использовать пол продуктового магазина для сбора энергии от ног спешащих покупателей, толкающих свои тяжелые тележки, и использовать ее для питания освещения магазина или его холодильных шкафов, конечно, это должно быть хорошо? Иногда сбор энергии действительно может обеспечить приличное, хотя и довольно скромное, количество энергии.

Проблема, однако, в том, что схемы сбора энергии могут сильно отвлекать от лучших идей. Рассмотрим, например, концепцию строительства улиц с пьезоэлектрическими «виброполосами», которые поглощают энергию проходящего транспорта. Автомобили — чрезвычайно неэффективные машины, и лишь небольшое количество (примерно 15 процентов) энергии их топлива дает вам силы в дороге. Только часть этой фракции доступна для восстановления с дороги, и вы не сможете восстановить всю эту часть со 100-процентной эффективностью. Таким образом, количество энергии, которое вы могли бы практически восстановить, и прирост эффективности, который вы бы получили за потраченные деньги, были бы ничтожными. Если вы действительно хотите экономить энергию от автомобилей, разумный способ сделать это — решить проблему неэффективности автомобильного транспорта гораздо раньше; например, путем разработки более эффективных двигателей, поощрения людей к совместному использованию автомобилей, перехода от бензиновые двигатели к электромобили и тому подобное.

Это не значит, что сбору энергии не место; это может быть действительно полезно для зарядки мобильных устройств с использованием энергии, которая в противном случае была бы потрачена впустую. Представьте, например, мобильный телефон, который автоматически заряжается каждый раз, когда он качается в вашем кармане. Тем не менее, когда дело доходит до экономии энергии, мы всегда должны рассматривать более широкую картину и следить за тем, чтобы время и деньги, которые мы вкладываем, приносили наилучшие результаты.

Кто открыл пьезоэлектричество?

Пьезоэлектрический эффект был открыт в 1880 году двумя французскими физиками, братьями Пьер и Поль-Жак Кюри в кристаллах кварца, турмалина и сегнетовая соль (виннокислый калий-натрия). Они взяли название от греческое слово piezein, что означает «давить». Жак подытожил это наблюдение в статье 1889 года в Annales de Chimie et de Physique . (мой собственный очень грубый перевод с французского):

«Если тянуть или сжимать вдоль главной оси [блока кварца], на концах этой оси появляются равные количества электричества противоположных знаков, пропорциональные действующей силе и не зависящие от размеров кварца».

Произведение: Иллюстрации работ Кюри из Quartz Piezo-Electrique: Extrait de la These de J. CURIE: Annales de Chimie et de Physique, t. XVII, 1889, с. 392.

Подробнее

На этом сайте

• Электричество
• Микрофоны
• Кварцевые часы и часы
• Твердые вещества, жидкости и газы
• УЗИ

Практические демонстрации

• Простая демонстрация пьезоэлектричества: попробуйте сами пьезоэлектричество с помощью доктора Джонатана Хэйра и Центра творческой науки.
• Как сделать пьезоэлектрический звукосниматель для трубы: забавный инструктаж использует пьезоэлектричество для преобразования старомодного звука трубы в нечто более интересное.

Статьи

Новости и научно-популярные новости

• Новая лидарная система обещает 3D-видение для камер, автомобилей и ботов Марка Харриса. IEEE Spectrum, 21 апреля 2022 г. Пьезоэлектричество лежит в основе лидара нового типа.
• Лучшее ультразвуковое изображение и сонар через самарий, Чарльз К. Чой. IEEE Spectrum, 18 апреля 2019 г.. Самарий позволяет пьезоэлектрическим преобразователям генерировать гораздо больший заряд, что потенциально дает оборудованию для медицинской визуализации гораздо более высокое разрешение (показывая больше деталей).
• Fitbit для желудка от Меган Скуделлари. IEEE Spectrum, 11 октября 2017 г. Исследователи разрабатывают пьезоэлектрический датчик желудка.
• Хорошие вибрации? Калифорния проведет испытания, используя дорожный грохот в качестве источника энергии, Филип Э. Росс. IEEE Spectrum, 19 апреля 2017 г. Могут ли пьезоэлектрические шумоподавители генерировать полезное количество энергии? Учитывая, сколько энергии автомобили тратят на преобразование топлива в движение, мысль о сборе крошечной доли этой энергии сама по себе может быть пустой тратой (умственной) энергии.
• В Университете Болтона изобретено волокно для сбора энергии: BBC News, 28 июня 2011 г. Гибкие пьезоэлектрические волокна могут быть вшиты в вашу одежду, чтобы заряжать ваш MP3-плеер или мобильный телефон во время движения!
• Вертолеты будущего станут умнее: НАСА, 25 февраля 2009 г. Ученые НАСА считают, что пьезоэлектрические лопасти могут сделать вертолеты тише и экономичнее.
• На шаг ближе к комплекту с автономным питанием: BBC News, 4 декабря 2008 г. Описывает, как небольшие пьезоэлектрические генераторы можно использовать для создания различных гаджетов с автономным питанием.
• Имплантат может помочь глухим услышать музыку: BBC News, 19 октября 2005 г. Как пьезоэлектрические материалы используются в новых кохлеарных имплантах для улучшения слуха глухих.

Более научно-технические

• От пояснения к описанию: Молекулярные и феноменологические теории пьезоэлектричества Шауль Кацир, Исторические исследования в области физических и биологических наук, Vol. 34, № 1 (2003), стр. 69–94. История того, как ученые пытались объяснить пьезоэлектричество с момента его открытия. включая сравнение теорий, выдвинутых Жаком и Пьером Кюри, Полом Чермаком, Вольдемаром Фойгтом, Эдуардом Рике и лордом Кельвином.
• Кто знал пьезоэлектричество? Резерфорд и Ланжевен об обнаружении подводных лодок и изобретении гидролокатора Шаулем Кациром, Заметки и отчеты Лондонского королевского общества, Vol. 66, № 2 (20 июня 2012 г.), стр. 141–157. Как Эрнест Резерфорд и Поль Ланжевен (независимо) пытались разработать пьезоэлектрические методы обнаружения подводных лодок во время Первой мировой войны.
• Открытие пьезоэлектрического эффекта Шаулем Кациром, Архив истории точных наук, Том. 57, № 1 (январь 2003 г.), стр. 61–9.1.
• Quartz Piezo-Electrique: Extrait de la These de J. CURIE: Annales de Chimie et de Physique, t. XVII, 1889, с. 392. Это перепечатка одной из статей Жака Кюри из Произведения Пьера Кюри Пьера Кюри, стр. 554

Книги

• Пьезоэлектрические материалы: применение в SHM, сборе энергии и биомеханике Суреш Бхалла, Сумедха Мохарана, Навит Каур и Висалакши Талакокула. Wiley/Athena, 2017. Актуальное введение, связывающее теоретические аспекты пьезоэлектричества с практическими приложениями в медицине и производстве энергии.
• Piezoelectric Ceramics: Principles and Applications: APC International, Ltd. 2011. Содержательное (114 страниц) введение в принципы пьезоэлектричества и его использование в различных типах генераторов, датчиков, приводов и преобразователей.
• Начало пьезоэлектричества: исследование мирской физики Шауля Кацира. Springer, 2011. Увлекательный исторический отчет о том, как пьезоэлектрический эффект был открыт и объяснен множеством различных теорий и моделей.
• Пьезоэлектричество: эволюция и будущее технологии Уолтера Хейванга, Карла Любица и Вольфрама Версинга. Springer, 2008. Что такое пьезоэлектричество и как мы можем применить его в медицине, обороне и других важных сферах жизни общества?

Патенты

Изобретатели годами придумывали всевозможные творческие способы использования пьезоэлектричества. Вот несколько примеров из базы данных Ведомства по патентам и товарным знакам США:

• Патент США: US 20140128753 A1: Пьезоэлектрическое измерение частоты сердечных сокращений для носимых устройств или мобильных устройств, Майкл Эдвард Смит, Луна и др., 8 мая 2014 г. датчик, который может контролировать ваше сердце и отправлять данные на ваш мобильный телефон (или аналогичное мобильное устройство).
• Патент США: 8,087,186: Пьезоэлектрические обогреватели для ног для защиты от обморожения, Джахангир С. Растегар, 3 января 2012 г. В этих туфлях используются пьезоэлектрические материалы для преобразования повторяющихся сдавливаний и растяжений вашей обуви в электрическую энергию, которая может согреть ваши ноги.
• Патент США: 20050127677: Дорога, генерирующая электроэнергию за счет включения пьезоэлектрических материалов, Джеффри Латтрулл, 16 июня 2005 г. Описывает метод сбора энергии с дорог. Патент США: 8 278 800: Многослойный пьезоэлектрический генератор, автор Haim Abramovich et al, Innowattech, 2 октября 2010 г., представляет собой вариант той же основной идеи с более подробной информацией о том, как на самом деле будут работать дорожные генераторы.
• Патент США: 4,685,296: Преобразование энергии океанских волн с использованием элементов из пьезоэлектрических материалов, Джозеф Р. Бернс, 11 августа 1987 г. В этом изобретении пьезоэлектрические материалы генерируют электричество за счет движения океанских волн вверх и вниз.
• Патент США: 5,598,196: Пьезоэлектрическая струйная печатающая головка и способ изготовления Хилариона Брауна, Eastman Kodak, 28 января 1987 г. Струйная печатающая головка, которая выбрасывает точные капли чернил с использованием пьезоэлектрических материалов.

пьезоэлектрический микрофон – Termwiki, миллионы терминов, определенных такими людьми, как вы

Пьезоэлектрический микрофон

Микрофон, генераторным элементом которого является кристаллический или керамический элемент, генерирующий напряжение при изгибе или напряжении при движении диафрагмы.

(Вы должны сначала войти в систему, чтобы изменить определение.)

Добавить изображение

• Часть речи: существительное
• Синоним(ы):
• Глоссарий:
• Отрасль/область: Программное обеспечение
• Категория: Монтаж видео
• Компания: Tektronix
• Продукт:
• Акроним-аббревиатура:

Больше

Собрать в Блоссарий

Другие языки:

• Добавить термин
• Добавить термин
• Добавить термин
• Добавить термин
• Добавить термин
• Добавить термин
• Добавить термин
• Добавить термин
• Добавить термин
• Добавить термин

Подробнее

Условия в новостях

Билли Морган

Спорт; Сноубординг

Британский сноубордист Билли Морган впервые в истории сделал четверной корк на 1800 метров. Всадник, который представлял Великобританию на зимних Олимпийских играх 2014 года в Сочи, находился в Ливиньо, Италия, когда добился успеха. Он включает в себя четыре переворота, в то время как тело также вращается с пятью полными оборотами по оси вбок или вниз. Хитрость…

Marzieh Afkham

Радиовещание и прием; News

Марзие Афхам, которая является первым официальным представителем министерства иностранных дел страны, возглавит миссию в Восточной Азии, сообщило государственное информационное агентство. Неясно, в какую страну она будет отправлена, поскольку официально о ее назначении еще не объявлено. Афхам станет второй женщиной-послом Ирана. При последнем шахе Мехрангиз Долатшахи, …

Еженедельный пакет

Язык; Онлайн-сервисы; Сленг; Интернет

Еженедельный пакет или «Paquete Semanal», как его называют на Кубе, — это термин, используемый кубинцами для описания информации, которая собирается из Интернета за пределами Кубы и сохраняется на жестких дисках для транспортировки на Кубу. Еженедельные пакеты затем продаются кубинцам без доступа к Интернету, что позволяет им получать информацию всего через несколько дней, а иногда и часов после этого …

Азиатский банк инфраструктурных инвестиций (АБИИ)

Банковское дело; Инвестиционно-банковские услуги

Азиатский банк инфраструктурных инвестиций (АБИИ) — это международная финансовая организация, созданная для удовлетворения потребностей Азии в развитии инфраструктуры. По данным Азиатского банка развития, до 2020 года Азии ежегодно требуется 800 миллиардов долларов на строительство дорог, портов, электростанций и других инфраструктурных проектов. Первоначально предложенный Китаем в 2013 году, подписание …

Спартанский

Онлайн-сервисы; Internet

Spartan — это кодовое имя, данное новому браузеру Microsoft Windows 10, который заменит Microsoft Windows Internet Explorer. Новый браузер будет создан с нуля и не будет принимать во внимание какой-либо код платформы IE.