Входное сопротивление предусилителя должно быть больше
реклама
Входное сопротивление предусилителя должно быть больше емкостного электрического сопротивления капсюля на нижней граничной частоте его работы (см. параграф 2.1, подробнее [1-4]). Это обстоятельство заставляет предъявлять высокие требования к диэлектрическим характеристикам материалов, применяемых для изготовления изолирующих элементов капсюлей и входных элементов предусилителей. На рис. 2.4 показаны типовые электрические схемы предусилителей различных типов КМ (для общего представления, т.к. анализ их работы не входит в задачи настоящей монографии). Большинство из них выполнено по схемам повторителей: на рис. 2.4,а приведена схема катодного повторителя измерительного микрофона МК-16, разработанного во ВНИИРПА в конце 70-х годов прошлого века. На рис. 2.4,б показана упрощенная схема предусилителя одномембранного КМ на полевом транзисторе с трансформаторным выходом. Вторичная обмотка трансформатора является положительным полюсом постоянного питающего напряжения (которое снимается со средней точки трансформатора). Сопротивление R4 является симметричной электрической нагрузкой линии («фантомное» включение см. параграф 2.8). С точки зрения симметрирования выходного сигнала применение трансформаторного выхода в КМ наиболее оправдано. Однако, оно приводит к появлению дополнительных фазовых, а также низкочастотных нелинейных искажений в микрофонных предусилителях. Стремление избавиться от этих недостатков и привело к появлению в конце 80-х годов прошлого века безтрансформаторных схем. В качестве примера на рис. 2.4 в,г представлены схемы предусилителей профессиональных электретных микрофонов, производимых в настоящее время предприятием «Микрофон – М» ( С-Петербург). На рис. 2.4,д представлена упрощенная схема включения двухмембранного конденсаторного микрофона (ДКМ) с переключением ХН в высокоомной части схемы с помощью делителя постоянного напряжения, позволяющего изменять потенциал второй (здесь – верхней) мембраны. Подробнее устройство и принцип работы ДКМ микрофонов рассмотрены нами в [1,2], а также в параграфе 2.4, поэтому здесь лишь укажем, что в современных разработках высокоомное переключение ХН встречается редко. Приведенные схемы являются лишь иллюстрацией принципов построения предусилителей КМ с высокоомным входным сопротивлением, это так называемые низкочастотные схемы (НЧ). Наряду с НЧ-схемами, существуют и так называемые высокочастотные схемы (ВЧ) предусилителей, не требующие поляризующего напряжения и высокоомного входного сопротивления. В таких микрофонах изменения емкости капсюля, вызванные звуковыми волнами, изменяют частоту контура, в который включен капсюль. Тем самым модулируются (по частоте, амплитуде или фазе) колебания высокочастотного контура генератора, входящего в схему. Обычно частота модулятора составляет несколько МГц. Далее напряжение детектируется и усиливается, тем самым на выходе восстанавливается исходный сигнал звуковой частоты. Высокочастотные схемы на транзисторах позволяют обойтись источником питания в 6-12 В, однако они требуют высокой стабильности частоты генератора, а также постоянства емкости капсюля при отсутствии звукового сигнала. Изменение этих параметров (например, при изменении внешних климатических условий) приводит к расстройке контура и существенному изменению электроакустических параметров микрофона. Поэтому в микрофонах ВЧ- схемы применяются крайне редко. Они находят применение в измерительных КМ, особенно предназначенных для измерения инфразвуковых частот. В 70-е годы прошлого века появились, а в настоящее время получили достаточно широкое распространение так называемые радиомикрофоны. Под этим термином понимают соединение микрофона с миниатюрным радиопередатчиком, часто в одном корпусе. Применение радиомикрофонов предоставляет исполнителю или ведущему передачи свободу перемещения в пределах сцены или аудитории, т.к. отсутствует кабель, связывающий обычный микрофон с последующим звеном звукового тракта. Промодулированный звуковым давлением, радиосигнал распространяется до радиоприемника с приемной антенной, далее он детектируется, усиливается и воспроизводится как обычный звуковой. В радиомикрофонах, как и в микрофонах по ВЧ- схемам, используется принцип модуляции ВЧ- радиосигнала напряжением звуковой частоты. В отличие от ВЧ- микрофонов, в современных радиосистемах для этого используется, как правило, выходной сигнал обычного динамического или электретного капсюля («головки»). В принципе радиосигнал, создаваемый ВЧ- генератором, может быть промодулирован звуковым по амплитуде, по фазе или по частоте. Практически в подавляющем большинстве современных радиомикрофонов, используется метод частотной модуляции (ЧМ), гораздо менее чувствительный к радиопомехам, чем другие виды модуляции. Основной причиной этого является то, что большинство шумов амплитудно модулируют несущую радиосигнала. Приемники ЧМ- сигнала содержат усилитель-ограничитель, который поддерживает постоянство амплитуды ЧМ- колебаний, тем самым, устраняя любой АМ сигнал, т.е. в данном случае – помехи. Несущие частоты в современных радиосистемах весьма высоки, обычно это сотни МГц. Маломощный передатчик (обычно, не более 100 мВт) дает дистанцию уверенного приема 100-150 м. Существует несколько конструктивных разновидностей радиомикрофонов: капсюль, передатчик и антенна размешены в корпусе ручного микрофона; капсюль с предусилителем (петличные, головные микрофоны) соединен с карманным или поясным радиопередатчиком с помощью тонкого кабеля; - инструментальные, когда микрофон крепится в раструб духовых инструментов (труба, саксофон и т.п.) или электроинструмент включается в линейный вход передатчика (орган, гитара). Радиомикрофоны довольно широко используются в системах звукоусиления и звукозаписи, особенно связанных с движением источника звука, например при одновременной видеозаписи. Несмотря на то, что технические параметры радиосистем постоянно совершенствуются, по ряду параметров приближаясь к проводным микрофонам, все же их использование в высококачественных системах звукозаписи и звукоусиления существенно ограничено из-за принципиально худшей, по сравнению с проводными микрофонами, помехозащищенности и из-за худшего соотношения цена / качество. 2.3. Электрически комбинированные микрофоны В литературе, особенно старой, под комбинированными микрофонами часто понимают любые микрофоны с односторонней ХН, в том числе и микрофоны - несимметричные приемники разности звукового давления, различные типы которых уже подробно рассмотрены нами в параграфах 1.3 – 1.5. По нашему мнению, такая терминология не отвечает современным физическим реалиям, поскольку односторонняя ХН в настоящее время чаще всего реализуется с помощью приемника одного (как на основе динамического, так и на основе конденсаторного преобразователя), а не нескольких типов. Поэтому комбинированными мы будем называть только те микрофоны, которые состоят из двух или более базовых типов приемников, размещенных в одном корпусе и имеющих общий электрический выход. Такое объединение может осуществляться на уровне разных звеньев микрофона: электрического, электромеханического, акустико-механического. Иногда объединение осуществляется одновременно на уровне нескольких разных звеньев. Простейшей формой объединения является электрическое комбинирование, заключающееся в синфазном или противофазном сложении выходных напряжений объединенных в группу капсюлей, иногда осуществляющееся с применением дополнительных электрических фазосдвигающих цепочек или аттенюаторов. Такое комбинирование позволяет реализовать возможность дистанционного изменения ХН, что весьма ценно для некоторых эксплуатационных ситуаций. Кроме этого, если приемные элементы (капсюли) пространственно разнесены, то это позволяет осуществить в ряде случаев обострение ХН такой системы по сравнению с ХН ее базовых элементов. Рассмотрим несколько примеров электрического комбинирования. На рис. 2.5,а представлен микрофон, состоящий из двух капсюлей с одинаковой осевой чувствительностью, но с различной направленностью: А – симметричный приемник разности давлений с выходным напряжением u1=M1p cosθ и Б – приемник давления с выходным напряжением u=M2 p. Коммутационная система позволяет включать: капсюль А (замкнуты контакты 1-4 и 2-5), тогда выходное напряжение uвых = u1; микрофон Б (замкнуты контакты 2-4 и 3-5), тогда uвых = u2; либо оба капсюля включены последовательно на нагрузку R, тогда uв = u1+u2 = M1p (1+cosθ). Очевидно, что в первом случае ХН – круг, во втором – восьмерка, в третьем – кардиоида. В конденсаторных микрофонах ненаправленный капсюль получается в том случае, когда неподвижный электрод (НЭ) закрыт со стороны, противоположной мембране, замкнутой полостью, как, например, это показано на рис.2.6,а. Восьмерочный капсюль можно реализовать, например, в конструкции, показанной на рис.2.6,б, где НЭ (представляющий собой диск со сквозными отверстиями) и мембрана помещены в акустически симметричный корпус капсюля, открытый с двух сторон. Однако такой способ получения однонаправленной ХН имеет ряд принципиальных недостатков: невозможность получения в капсюлях с круговой и восьмерочной направленностью одинаковых амплитудной и фазовой частотных характеристик, что особенно сильно проявляется в области НЧ и ВЧ; пространственная несовмещенность капсюлей. Таким образом строились микрофоны с односторонней или переключаемой ХН в 30 – 40-х годах прошлого столетия, когда еще не получили распространения широкополосные однонаправленные микрофоны, рассмотренные нами в параграфах 1.4.–1.5. Реально односторонненаправленную ХН в таких микрофонах удавалось получить в весьма узком диапазоне средних частот (в две – три октавы) По этой причине подобные микрофоны не нашли широкого применения в профессиональных целях. После появления однонаправленных микрофонов с фазосдвигающими акустико-механическими цепочками (см. параграфы 1.3–1.5) электрически комбинированные микрофоны практически повсеместно были сняты с производства и исчезли из эксплуатации. Второй пример электрически комбинированного микрофона, состоящего из двух одинаковых кардиоидных капсюлей, показан на рис. 2.5,б. Акустические оси капсюлей развернуты на 1800 (т.е. фронты капсюлей обращены в противоположные стороны), а акустические входы повозможности совмещены. Тогда их выходные напряжения определятся соотношениями: u1=u0(1+cosθ)/2 , u2=u0[1+cos(θ+π)]/2 = u0(1-cosθ)/2. (2.9) При суммировании этих выходных напряжений (замкнуты контакты 2-4 и 3-5) комбинированный микрофон становится ненаправленным, при вычитании (замкнуты контакты 1-4 и 2-5) – двунаправленным, при снятии выходного сигнала только с одного капсюля (замкнут контакт 4 на 5) – кардиоидным. Более сложная коммутационная система, позволяющая производить суммирование – вычитание неполных напряжений, дает возможность получить любую необходимую ХН, определяемую «улиткой Паскаля». Практическая трудность конструктивной реализации такой системы состоит в сложности совмещения акустических центров капсюлей: при их расположении по одной оси появляется дополнительная геометрическая разность хода между центрами капсюлей, а при расположении один под другим возникает осевая асимметрия ХН [2]. 2.4. Акустически комбинированные микрофоны с раздельным стоком Получение комбинированных микрофонов не обязательно связано с использованием отдельных базовых капсюлей. Рассмотрим здесь двухмембранные конденсаторные микрофоны (ДКМ) как наиболее часто встречающийся пример реализации в одном капсюле разных акустикомеханических свойств его элементов. Впервые такой тип микрофона был предложен в конце 20-х годов прошлого столетия немецкими акустиками Вебером и Браунмюллером. Основная идея конструкции такого микрофона – совмещение в одном капсюле свойств двунаправленного и ненаправленного микрофона. Если часть отверстий в НЭ закрыть глухой полостью, а часть (со сквозными отверстиями) оставить открытой, то образуются соответственно приемник давления и градиента давления. Конструкция капсюля (см. рис. 2.7) ДКМ имеет следующие особенности: - наличие двух больших мембран (2), симметрично расположенных относительно 1 - общего неподвижного электрода (НЭ); - чередование в НЭ замкнутых полостей 3 и сквозных отверстий 4, соединяющих подмембранные зазоры 6. Эти особенности и определяют комбинированный характер системы, т.к. в подмембранных слоях образуются ячейки двух типов: в окрестностях глухих полостей – приемники давления, сквозных отверстий – приемники разности давлений. Таким образом, получается объединение под общей мембраной «мозаики» миниатюрных микрофонов - ячеек двух типов: ненаправленных и восьмерочных (двунаправленных). Для ячеек давления направление возбуждающей силы практически не зависит от направления прихода звуковой волны, а для ячеек разности давлений зависит и определяется cosθ. Поэтому на фронтальной мембране (θ = 0) силы давления и разности действуют в одном направлении. На тыловой мембране (θ=1800) эти силы действуют встречно, образуя на мембране участки, совершающие колебания противоположного направления (противофазные). Если колебания этих участков равны по величине (т.е. равны суммарные объемные смещения в ячейках давления и разности давлений), то изменения емкости разноименных участков преобразователя имеют практически противоположный знак и в целом нейтрализуются. Поэтому величина выходного напряжения, развиваемого между НЭ и активной мембраной (т.е. той, на которую подано поляризующее напряжение), зависит от положения мембраны, достигая максимума при фронтальном и минимума при тыловом. Таким образом получают микрофон с кардиоидной ХН. Рассмотренная система оказалась удобна еще и тем, что при подаче на обе мембраны поляризующего напряжения каждая половинка капсюля представляет в электрическом смысле отдельный микрофон - генератор электрического напряжения, максимумы чувствительности которых развернуты на 1800. Помимо акустического комбинирования в ДКМ реализуется и электрическое комбинирование, к которому пришли только спустя 15 лет после изобретения ДКМ. Заметим, что первоначально переключение ХН в ДКМ осуществлялось за счет изменения величины и знака поляризующего напряжения на второй мембране (см. параграфе 2.2 и рис. 2.4,д), что называют переключением в высокоомных цепях. Его недостатками являются, во-первых, ощутимые на слух щелчки при перезарядке мембран, во-вторых, постепенное изнашивание контактной системы мембран от бросков напряжения, несмотря на принимаемые меры (золочение поверхности лавсановых мембран, серебрение их центральных контактов). Такие ДКМ уже к середине прошлого века приобрели широкую популярность на различных студиях звукозаписи благодаря своим электроакустическим параметрам, высокому качеству звукопередачи и эксплуатационным удобствам. С этим связано и появление распространенной до сих пор в среде звукорежиссеров легенды об исключительном звучании «золотых мембран». Любопытно, что Вебером и Браунмюллером была запатентована лишь принципиальная конструкция такого типа ДКМ, полученная в результате кропотливой экспериментальной отработки. Никакого теоретического или даже концептуального объяснения ее работы в то время дано не было. Первая попытка анализа работы такого микрофона была сделана в 1938 г. в работе В.К.Йофе [22], уже упоминавшейся выше (см. параграф 1.3), и затем детализирована и расширена В.В.Фурдуевым [23]. Принятая ими, а затем и в другими учеными трактовка работы такого микрофона [5 - 7] основывается на предположении, что мембрана ведет себя как абсолютно жесткий поршень. Такое предположение позволяет применить принцип векторного суммирования указанных двух типов сил, игнорируя пространственное несовпадение участков их приложения на мембранах, т.е. считать всю группу сил, действующих на каждую из мембран, прилагаемой как бы к одной точке, учитывая лишь направление векторов сил. В этом случае при прямом падении волны обе группы сил действуют на мембрану согласно, т.е. векторы сил складываются, а при действии тыловой волны – вычитаются, в связи с чем при равенстве абсолютных значений сил они компенсируются и мембрана будет неподвижной, т.е. электрического сигнала на выходе микрофона не будет. Приведенное объяснение принципа действия было названо нами [2] концепцией силовой компенсации. Основная и очевидная слабость этой концепции заключается в том, что мембрана, представляющая собой распределенную колебательную систему, не является жестким поршнем и может рассматриваться как таковой при выполнении по крайней мере одного важного условия – равномерного распределения возбуждающей силы по поверхности мембраны. В нашем случае его можно считать в какой-то мере выполняющимся для прямой волны и то при условии, что абсолютные значения градиентных сил и сил давления одинаковы. Что касается волны, падающей с тыла, то создаваемые ею силы давления и градиентные силы действуют, во-первых, в противоположных направлениях и, во-вторых, на разные участки, смещенные по площади мембраны. При таких условиях распределенная система не может оставаться неподвижной: она будет совершать колебания, приняв колебательную форму, отвечающую характеру распределения сил по ее поверхности. Теоретическое исследование этого явления, физически представляющегося очевидным, приводится в следующем разделе этого параграфа. Подробно работа таких микрофонов была ранее исследована нами в 70 – 80х годах прошлого века, результаты наших исследований нашли отражение как во многих статьях того времени, так и в книгах [1, 2]. Не останавливаясь на них подробно, приведем здесь некоторые соображения и основные результаты, имеющие отношение к рассматриваемым здесь вопросам. В электроде такого микрофона просверливаются сквозные отверстия, с которыми чередуются глухие полости. Вследствие такого чередования при колебаниях мембран образуется два типа воздушных потоков, один из которых связан с движением воздуха через сквозные отверстия, а второй – со стоком в глухие полости. При этом формируются два вида сил, действующих на мембрану: на участках, прилегающих к сквозным отверстиям, образуются силы, вызываемые разностью давлений с двух сторон капсюля, а на смежных (прилегающих к полостям) – силы, обусловленные звуковым давлением. К теории колебаний тонкой натянутой мембраны под действием неравномерно распределенной силы Ранее нами уже были рассмотрены (см. параграф 1.6) некоторые двумерные колебательные системы с распределенными параметрами, такие как мембрана, пластина с жестким центром (см. табл. 1.3), находящиеся под действием равномерно распределенной внешней силы, что часто встречается реально в различных видах электроакустической аппаратуры. Однако всякая реальная система обладает конечной толщиной, а значит, и определенной собственной жесткостью, поэтому отнесение распределенной системы к тому или иному типу зависит от характера преобладающих упругих сил. Здесь нами будет более подробно рассмотрена распределенная система в виде мембраны, находящейся под действием неравномерно распределенной в радиальном направлении силы. Предположим, что мембрана находится под действием силы, изменяющейся по величине и направлению действия при перемещении по координатам r и . Функция распределения может быть задана произвольно, так как в реальных условиях она зависит от характера распределения отверстий и полостей по площади электрода. Теоретически эту функцию удобно представить произведением r J 0 n cos q , a p0 где - сила натяжения мембраны, а - её радиус, р0 - значение давления в центре мембраны, J0 - функция Бесселя первого рода нулевого порядка, n и q - числа, определяющие соответственно радиальный и кольцевой шаги решетки изменения силы. Тогда уравнение вынужденных колебаний мембраны можно записать в следующем общем виде: p0 1 y 1 2 y r 2 r 2 k y J n cos q . 0 r r r r 22 a (2.10) Здесь y - комплексная амплитуда смещения точек мембраны, k - волновое число. Так как должно выполняться условие компенсации встречных сил, функция распределения силы в правой части уравнения должна быть подобрана так, чтобы её интегральное значение по площади мембраны равнялось нулю. В цилиндрической системе координат dS = rddr, так что L s a p 2 r r J 0 n cosq dS 0 cosq d J 0 n r dr 0 . 0 0 a a p0 (2.11) Это условие может быть выполнено при соответствующем выборе n и q. Функция распределения силы выбрана довольно произвольно, так как нас интересуют в данном случае не количественные результаты, а аналитическое доказательство принципиальной возможности такого вида колебаний мембраны, о котором говорилось ранее. Поэтому для получения аналитического решения упростим математическую задачу: 1. Рассмотрим случай центральной симметрии, что вполне может соответствовать реальному распределению сил по поверхности мембраны 2 у микрофона. Тогда cosq = 1 и 0. 2 2. Ограничимся частотной областью < 01, т.е. областью, в которой мембрана управляется упругостью, обусловленной силой натяжения , что позволяет пренебречь в уравнении (2.10) инерционным членом k2y. В данном случае интересна именно эта частотная область, так как на частотах > 01 форма колебаний мембраны зависит не только от распределения силы, но и от совпадения частоты силы с какой-либо из собственных частот мембраны. С учётом указанных выше упрощений уравнение (2.10) примет вид p 1 y r r 0 J0n . r r r a (2.12) Произведя замену переменной z = nr/a, проинтегрируем уравнение (2.12) с учётом граничных условий, отражающих симметрию колебаний мембраны и условие закрепления: y 0 ; r r 0 (2.13, а) y r a 0 . (2.13, б) p0 r r p0 a 2 z p0 a 2 y r J 0 n rdr 2 J 0 z zdz z J 1 z c1 r 0 a n 0 n2 p0 a r r J 1 n c1 . n a (2.14) Используя условие (2.13,a), находим, что с1 = 0. После повторного интегрирования имеем: p0 a r r p0 a 2 z p0 a 2 y J 1 n dr 2 J 1 z dz J z c2 n 0 a n 0 n2 0 r J n c2 . 0 n 2 r a F0 (2.15) Применив условие (2.13,б), получим: с2 F0 n 2 J 0 n и y F0 n2 r J n J n 0 0 a . (2.16) Аналогичное решение можно получить, выбрав вместо J0 любую аналогичную знакопеременную функцию. При этом изменится лишь шаг решетки сил n и распределение её максимумов и минимумов. В данном cлучae шаг решетки может быть любым при выполнении условия (2.11). В нашем случае r J 0 n r dr aJ1 n 0 , 0 a a (2.17) т.е. при n = 3,832; 7,016; 10,174 и т.д. Решение (2.16) означает, что распределение смещений участков мембраны под действием вынуждающей силы, интегральное значение которой равно нулю, повторяет закон распределения силы на поверхности мембраны с изменениями, определяемыми выполнением граничных условий. В нашем случае важно то, что полученные теоретические результаты подтверждают высказанное ранее предположение о возможности непоршневых колебаний мембраны в области < 01. Изложенные обстоятельства позволили нам выдвинуть новую трактовку механизма работы комбинированного микрофона, названную нами концепцией электростатической (емкостной) компенсации. Смысл ее можно пояснить следующим образом. Для возникновения на выходе капсюля переменного напряжения необходимо изменение емкости между мембраной и электродом. При тыловом падении волны различные участки мембраны движутся в противоположных направлениях. Следовательно, когда участки, приближающиеся к электроду, способствуют увеличению мгновенного значения емкости, другие, удаляющиеся, вызывают ее уменьшение. Если прирост и уменьшение емкости происходят на одну и ту же величину, изменения емкости взаимно компенсируются, общий заряд гальванически связанных участков не изменится и переменное напряжение на выходе не возникнет. Если же прирост и убыль емкости по какой-либо причине неодинаковы, электростатическая компенсация будет лишь частичной и на выходе появится переменное напряжение звуковой частоты. Экспериментальная проверка концепции электростатической компенсации Описанный механизм электростатической компенсации подсказывает методику её экспериментального доказательства. Если на мембране происходит взаимная силовая компенсация, как это полагалось в работе [23], то электростатические параметры преобразователя (например, величина площади металлизации мембраны) не смогут oкaзать никакого влияния на характеристику направленности, т.к. силы компенсируются за счёт соответствующего подбора числа отверстий и полостей в электроде. Мембрана при этом будет неподвижной и выходное напряжение не появится при любой площади "пятна" металлизации. Не так будет обстоять дело в случае электростатической компенсации. Как правило, распределить равномерно по всей площади электрода отверстия и полости не удаётся. Поэтому при изменении площади "пятна" металлизации будет нарушаться соотношение между суммарными емкостями участков градиента давления и участков давления, в результате чего с изменением площади металлизации будет изменяться степень взаимной компенсации прироста и убыли емкости. Это должно привести к изменению характеристики направленности микрофона от кардиоиды к кругу (если преобладает площадь металлизации, охватывающая ячейки давления) или от кардиоиды к косинусоиде (при преобладании площади, охватывающей ячейки со сквозными отверстиями). Для экспериментальной проверки изложенных положений было использовано два двухмембранных микрофона МК-13М. Распределение сквозных отверстий и глухих полостей по поверхности НЭ в микрофонах этой модели неравномерно (сквозные отверстия сосредоточены в основном в центральной части НЭ, а глухие – по периферии). По этой причине изменение размеров "пятна" металлизации должно приводить к изменению характеристики направленности микрофона при условии, что справедлива выдвигаемая нами концепция электростатической компенсации. Таким образом, опыты по экспериментальному доказательству предлагаемой трактовки сводятся к снятию частотных характеристик микрофонов под углами падения звука = 0º, = 90° и = 180° при разных площадях металлизации мембраны. Эксперименты проводились в заглушенной камере № 3 ВНИИРПА им. А.С. Попова. Частотные характеристики чувствительности снимались при углах падения звука 0°, 900 и 180° согласно действующему в то время ГОСТ 16123-79. В процессе экспериментов мембраны микрофона заменялись другими с меньшим диаметром "пятна" металлизации. В ходе экспериментов контролировалась емкость капсюля и резонансная частота мембраны. Результаты измерений сведены в табл. 2.1 и представлены на рис. 2.8, где в качестве примера приведены частотные характеристики капсюля № 38 при максимальном и минимальном диаметре металлизации мембраны. Как видно из данных табл. 2.1, при уменьшении диаметра металлизации происходит: а) уменьшение чувствительности микрофона во всем частотном диапазоне; б) изменение соотношения чувствительностей при углах падения 0º, 90º и 180º: соотношение «фронт-тыл» уменьшается, а «фронт-фланг» растет. Уменьшение чувствительности является вполне закономерным и обусловлено уменьшением емкости капсюля. Характер же изменения соотношения чувствительностей в направлении 0º, 90º и 180º свидетельствует о том, что характеристика направленности микрофона при уменьшении диаметра металлизации обостряется, деформируясь от кардиоиды к гиперкардиоиде. При уменьшении диаметра «пятна» металлизации от 28 до 15 мм число отверстий уменьшается приблизительно в два раза, а полостей – в четыре раза, т.е. происходит относительное увеличение под металлизированной частью мембраны числа ячеек-градиентов давления. Одновременно с этим средний перепад чувствительностей «фронт-тыл» в диапазоне 150 – 2500 Гц уменьшается от 18 ÷ 18,5 дБ до 9 ÷ 10,5 дБ, в то время как соотношение «фронт-фланг» увеличивается от 6 дБ до 9,0 ÷ 9,5 дБ, что говорит о стремлении ХН от Таблица 2.1. Диаметр пятна металлизации, мм 28 23 20 15 Число глухих отверстий N’ 60 49 39 15 Число сквозных отверстий N’’ 21 21 21 12 Отношение N’/N’’ Номер частотной характеристики Чувствительность по фронту на 1000 Гц, мВ/Па Перепад чувствительностей «фронт-тыл» дБ На 1000 Гц Средний по 4-м частотам 2,85 2,34 1,86 1,25 Электрод 1 3 5 7 № 8 Электрод 2 4 6 8 № 38 Электрод 11,0 10,0 8,0 4,0 №8 Электрод 13,6 10,0 8,5 5,0 № 38 Электрод 23 20 15 11 № 8 Электрод 22 18 13 9 № 38 Электрод 18 16 13 10,5 № 8 Электрод 18,5 14 12 9 № 38 кардиоиды к гиперкардиоиде, что соответствует увеличению градиентного фактора (по сравнению с фактором давления) приблизительно в два раза. Это хорошо согласуется с соотношением числа отверстий и полостей, охватываемых не всей мембраной, а лишь металлизированной (следовательно, заряженной) ее частью. Таким образом, результаты наших исследований, как теоретических, так и экспериментальных, позволяют сделать выводы, носящие концептуальный характер, т.е. справедливые для любого конденсаторного микрофона, т.е. ДКМ (см. рис. 2.7) и ОКМ (см. рис. 2.6,в), где относительно независимо функционируют ячейки давления и градиента давлений. Указанные группы ячеек функционируют подобно независимым микрофонам, у которых металлические покрытия мембран имеют гальваническую связь и работают на общую нагрузку. Акустикомеханическое звено такого микрофона следует моделировать с помощью двух разных эквивалентных схем (см. соответственно рис. 1.4 и 1.5). 2.5. Акустически комбинированные микрофоны с совмещенным стоком Помимо переключения характеристик направленности путем изменения поляризующего напряжения, возможен и другой принцип. Выходные ЭДС половинок капсюлей могут быть поданы на вход отдельных микрофонных предусилителей, а полученные на их выходе напряжения u1 и u2 можно складывать и вычитать, получая любую нужную ХН, подобно тому как это было рассмотрено в параграфе 2.3.1 для электрически комбинированных микрофонов. Такое изменение ХН называют переключением в низкоомных цепях, что обычно осуществляется в современных ДКМ . Вернемся теперь к конструкции капсюля. Принципиально капсюли ДКМ можно подразделить на два типа. Первый, уже рассмотренный нами, можно назвать капсюлем с раздельным стоком воздуха из подмембранного зазора (см. рис.2.7). Таким образом были реализованы различные модели ДКМ в 30-60-х годах, в том числе и микрофоны самой известной в производстве ДКМ немецкой фирмы Neumann (вплоть до модели U-67). Однако потенциальные возможности получения всей совокупности электроакустических параметров и характеристик (величины чувствительности и неравномерности ее ЧХЧ, ХН и т. д.) в ДКМ такого типа по ряду причин [2] оказались достаточно ограниченными. Более высокие параметры реализуются в капсюлях с совмещенным стоком. На рис. 2.9. приведена схематическая конструкция капсюля современного двухмембранного конденсаторного микрофона с неподвижными электродами с совмещенным стоком, в конструкциях которых сквозные отверстия высверливаются в донышках полостей, выполняемых либо в пазовом, либо в цилиндрическом варианте. Полную акустико-механическую подсистему (АМПС) такого микрофона можно представить ЭЭС в виде единой лестничной схемы (рис. 2.10), симметричной относительно срединного межэлектродного зазора (щели), обозначенного на рис. 2.9 цифрой 5. Для симметрирования центральное сопротивление в горизонтальной цепи представлено в виде двух последовательно включенных сопротивлений z2. 2.5.1. Анализ симметричных электрических эквивалентных схем лестничного типа В принципе акустико-механические подсистемы двухмембранных конденсаторных микрофонов можно рассматривать так же, как АМПС одномембранных (см. параграф 1.4.). Однако здесь такой подход не только не обеспечивает ожидаемой компактности результатов анализа, но иногда их существенно усложняет. Причины этого состоят в следующем: - электрическую эквивалентную схему ДКМ, даже при существенных упрощениях, не удается свести к двухконтурной схеме с ФСЦ; - в области НЧ влияние упругости второй мембраны оказывается настолько существенным, что создает значительные отличия поведения подвижной системы ДКМ от поведения ПС ОКМ; - анализ АМПС ДКМ не с общих позиций теории ФСЦ, а с частных позиций, основанных на использовании особенностей, создаваемых симметричностью капсюля и его ЭЭС, позволяет существенно упростить и минимизировать математические модели для расчета эквивалентных смещения мембраны и чувствительности микрофона. АМПС в обоих типах капсюлей отображается симметричными ЭЭС, однако в отличие от капсюлей с раздельным стоком, где для расчета составляющих сил давления и разности давлений приходится пользоваться двумя независимыми эквивалентными схемами, в капсюле с совмещенным стоком симметричная ЭЭС представляет АМПС в полном виде. Приведем краткие результаты наших работ, выполненных в 80-х годах прошлого века при разработке теории двухмембранных конденсаторных микрофонов. Предлагаемый ниже анализ и его результаты универсальны, т.е. пригодны для любых симметричных ЭЭС независимо от того, что они отображают – полную АМПС микрофона или одну лишь градиентную часть. Рассмотрим поочередно три варианта симметричных ЭЭС: двух-, трех- и четырехконтурные, представленные соответственно на рис.2.11, 2.12 и 2.13. Уравнения, составленные по методу контурных токов для схемы 2.11,а, имеют вид F1 1 z0 z3 2 z3 , (2.18) F2 1 z 3 2 z 0 z 3 . (2.19) После сложения и вычитания правой и левой частей получим F1 F2 1 2 z 0 , F1 F2 1 2 z 0 2z3 . Решив систему относительно искомых скоростей, имеем 1 F1 F2 F1 F2 , 2 z0 2 z0 2 z3 2 (2.20) F1 F2 F1 F2 . 2 z0 2 z0 2 z3 (2.21) Такой же вид решения можно найти, разбив двухконтурную схему (см. рис.2.11,а) на две одноконтурные (см. рис.2.11,б и 2.11,в) с использованием в них эквивалентных сил F ' F1 F2 F F2 , F '' 1 . 2 2 (2.22) F '' . z0 2 z3 Решение для «токов» ' и ' ' этих схем имеет вид F' ' , z0 '' При этом колебательные скорости 1 и 2 , определяющие фронтальную и тыловую чувствительности, могут быть определены как 1 ' ' ' , ' ' ' , (2.23) 2 что совпадает с формулами (2.20) и (2.21). Рассмотрим теперь трехконтурную схему, представленную на рис.2.12,а. Для симметрирования центральное сопротивление в горизонтальной цепи представлено в виде двух последовательно включенных сопротивлений z2. В соответствии с принятым методом получаем три уравнения F1 1 z 0 z1 2 z1 , z 2z z , 2 1 2 1 3 1 (2.24) F2 2 z1 3 z 0 z1 . (2.25) Складывая и вычитая (2.24) и (2.26), имеем (2.26) F1 F2 1 3 z0 z1 , F1 F2 1 3 z0 z1 2 2z1 . Исключив 2 с помощью уравнения (2.25), получим (2.27,а) (2.27,б) 1 3 F1 F2 , z 0 z1 1 3 F1 F2 , z 0 z12 z12 z1 z 2 . z1 z 2 (2.28) Решая эти уравнения относительно 1 и 3 , получим окончательно 1 3 F' F' ' , z1 z 2 z 0 z1 z0 z1 z 2 (2.29) F' F' ' . z1 z 2 z 0 z1 z0 z1 z 2 (2.30) Как видно из этих соотношений, для трехконтурной схемы (см. рис.2.12,а) решение также может быть получено более простым путем – из двух схем 2.12,б и 2.12,в с эквивалентным источником сил F’ и F’’: " F' z1 z 2 , z0 z1 z 2 ' ' F' ' , z 0 z1 где F’ и F’’ определяются формулами (2.22). Как и ранее, искомые скорости 1 ' ' ' , 3 ' ' ' . Наконец, для четырехконтурной схемы можем написать систему F1 1 z 0 z1 2 z1 , (2.31) 0 1 z1 2 z1 z 2 z3 3 z3 , (2.32) 0 2 z3 3 z1 z 2 z3 4 z1 , (2.33) F2 3 z1 4 z 0 z1 . (2.34) Проводя преобразования, аналогичные предыдущим и приводимые здесь ввиду их утомительной громоздкости, получаем 1 3 F' F' ' , z1 z 2 z1 z 2 2 z3 z0 z0 z1 z 2 z1 z 2 2 z 3 F' F' ' z1 z 2 z1 z 2 2 z3 . z0 z0 z1 z 2 z1 z 2 2 z 3 не (2.35) (2.36) Структура этих соотношений также свидетельствует о том, что четырехконтурная симметричная ЭЭС ДКМ (см. рис.2.13,а) для расчетов может быть заменена двумя сравнительно простыми ЭЭС, представленными на рис.2.13,б и 2.13,в, колебательные скорости которых вычисляются по формулам: ' F' z1 z 2 , z0 z1 z 2 ' ' F' ' , z1 z 2 2 z3 z0 z1 z 2 2 z3 (2.37) в которых F’ и F’’ выражаются соответственно полуразностью и полусуммой реальных сил F1 и F2, а реальные скорости равны 1 ' ' ' . 1 ' ' ' , Обобщая полученные результаты на многоконтурные цепочные симметричные схемы (см. рис.2.11-2.13,а,б,в) можем сформулировать следующие правила: 1. Расчетные соотношения для колебательных скоростей крайних контуров многоконтурных симметричных ЭЭС двухмембранных микрофонов могут быть получены из двух отдельных схем, в каждой из которых действует только одна сила, определяемая соотношениями (2.22). 2. Полагая, что на симметричную ЭЭС действуют синфазные составляющие реальных сил F1 и F2, одинаковые по величине, приходим к схемам типа (б), позволяющим вычислить формальную скорость ' . 3. Полагая, что на симметричную ЭЭС действуют только противофазные составляющие реальных сил F1 и F2, одинаковые по величине, приходим к схемам типа (в), позволяющим вычислить вторую формальную скорость '" . 4. Суммируя и вычитая значения формальных скоростей в соответствии с формулами (2.23), получаем значения реальных скоростей 1 и 2 фронтальной и тыловой мембран ДКМ. Для флангового падения звука (при = 90) задача еще более облегчается в связи с тем, что ' ' 1 , ' 0 .. Предлагаемый метод существенно облегчает расчетную часть проектирования ДКМ, повышает степень достоверности ее результатов и упрощает алгоритмы расчетов на ЭВМ. 2.5.2. Аналитическая модель частотно-пространственной характеристики двухмембранного конденсаторного микрофона Задачей настоящего раздела является построение аналитической модели капсюля ДКМ. На рис.2.10 и рис 2.13 приняты следующие обозначения: 1 z м rиз j m м с 0 - полное механическое сопротивление мембраны, где rиз – сопротивление излучения, mм и с0 – масса (с учетом массы присоединенного воздуха) и гибкость мембраны; z 0 ' r0 j m0 ' m1 - активное и инерционное сопротивление слоя между мембраной и НЭ (с учетом инерционной составляющей m1 сопротивления пазов 4 в НЭ); z1 1 / jc1 - упругое сопротивление воздуха в пазах НЭ; z5 1/ jc5 - упругое сопротивление воздуха в щели 5 между половинками НЭ; z 2 r2 jm2 - активное и инерционное сопротивление в той же щели между ближайшими отверстиями; z 3 1 / jc 3 - упругое сопротивление воздуха в слое 3 между мембраной и НЭ. Обычно в такой конструкции НЭ справедливо z5 z1 , z3 z1 и z1 z0 ' ' во всем диапазоне звуковых частот. Поэтому без существенной ошибки можем исключить из рассмотрения z3 и z5, как это обычно и делается. Можно не учитывать также и величину сопротивления отверстий 6 в силу его малости по сравнению с включенными последовательно с ним сопротивлениями z2 акустической щели 5. Позже, при расчете конкретной конструкции, можно будет оценить погрешность такого допущения более точно, но обычно z3 и z5 превышают величины z1 и z0’ по крайней мере на два порядка (даже на верхней границе звукового диапазона). Из предыдущих рассуждений ясно, что фактически мы перешли к ЭЭС рис.2.12 при z0 = zм + z0’. Колебательные скорости ф и Т , определяющие фронтальную и тыловую чувствительности, можно представить как сумму и разность скоростей ' и ' ' , полученных из схем 2.12,б и 2.12,в, т.е. в соответствии с выражениями (2.29) и (2.30). Перепишем входящие в эти выражения комплексные величины в удобной для анализа и расчета форме. Чтобы обеспечить частотную выполнение ряда условий: независимость ф необходимо в знаменателе выражения ' ' упругое сопротивление должно преобладать над активным, т.е. 1/с1 > r0; в знаменателе выражения ' , напротив, определяющим должно быть активное сопротивление, т.е. (r0 + r2) > 1/c0; величина упругого сопротивления подмембранных полостей должно быть примерно на два порядка выше упругого сопротивления мембраны, т.е. 1/с1 >> 1/c0; активные сопротивления зазора и щели должны преобладать над инерционными составляющими, т.е. r0 > m0 и r2 > m2, и быть одного порядка, т.е. r0 r2. С учетом этих обстоятельств эквивалентные смещения мембран в плоской волне при р = 1 Па на НЧ (ka < 0,5) могут быть найдены после несложных преобразований (2.29) и (2.30) в следующем виде: ф ' ' ' S1 c1 Т ' ' ' S1 c1 d / 2 , r0 r2 1 / jc0 d / 2 , r0 r2 1 / jc0 90 ' S1с1 . (2.38) (2.39) (2.40) С учетом конечности расстояния от микрофона до источников звука, т.е. учитывая влияние сферичности фронта звуковой волны на низких частотах выражения (2.38) и (2.39) преобразуются к виду (2.41) и (2.42) соответственно. Здесь l – толщина капсюля ДКМ, R - расстояние от источника звука до микрофона, l’ = l/R. d l' / j c1 S1 , 2r0 r2 1 / jc' 0 ф ' ' ' (2.41) d l' / j c1 S1 . 2r0 r2 1 / jc' 0 Т ' ' ' (2.42) Влияние сферичности фронта звуковой волны на частотнопространственную характеристику микрофонов с различным типом акустико-механических систем подробнее рассмотрено в главе 1. После подстановки в (2.29) и (2.30) всех комплексных значений сил и акустико-механических элементов для высоких частот, парциальные смещения ’ и ’’ на высоких частотах (при действии единичного звукового давления) выразятся соотношениями D0 D180 D D180 kd kd cos j 0 sin 2 2 2 2 S1 , ' rм r0 ' j m0 ' m м m1 j / c1 j D D180 kd kd S D0 D180 cos j 0 sin 1 2 2 2 2 j ' ' . r2 jm2 rм r0 ' j m0 ' m м m1 1 r j m j c 2 2 1 (2.43) (2.44) Смещения, определяющие фронтальную и тыловую чувствительность, т.е. ф и Т, а также 90, определяющая фланговую чувствительность, вычисляются по формулам ф = ’’ + ’, 90 Т = - ’’ + ’, S1 D90 / j . r0 jm0 j / c1 (2.45) где r0 = rиз + r0’, m0 = m0’ + mм + m1. Проделав несложные преобразования, можно показать, что в ненаправленном режиме при идентичности характеристик левой и правой половинок силы F1 и F2 в формулах просто поменяются местами. Полученные выражения позволяют осуществить расчет амплитудночастотных и фазочастотных характеристик двухмембранного микрофона с электродом совмещенного стока в различных режимах работы: однонаправленном, ненаправленном и двунаправленном. Заметим, что неподвижный электрод такого типа может быть реализован не только в виде концентрических канавок с равномерно распределенными сквозными отверстиями, выходящими в зазор 5 (см. рис.2.9), но и полостями цилиндрической формы со сквозным отверстием на дне каждой полости. Встречаются также и комбинированные электроды, в которых одна часть полостей или канавок имеет сквозные отверстия, а другая выполняется замкнутой. Эквивалентная схема микрофона с таким НЭ строго говоря не может быть представлена одной ЭЭС. Сквозные элементы такого микрофона нужно представлять схемой, рассмотренной в данном параграфе, замкнутые же – в качестве ячеек давления. Однако мы не будем заниматься здесь подробным анализом такой конструкции, так как ее нельзя признать рациональной ни с точки зрения устройства, ни технологии изготовления капсюлей. Более подробно с анализом работы ДКМ в области ВЧ и НЧ можно ознакомиться в работе [2]. Отметим здесь одну особенность их ЧПХЧ по сравнению с ранее рассмотренными одномембранными КМ. С понижением частоты (см. формулы (2.38) – (2.42)) влияние разностной составляющей ξ″ на формирование ЧПХЧ уменьшается, т.к. в этой области гибкое сопротивление мембраны становится сопоставимым с активным (вязким) сопротивлением слоев воздуха (r0 + r 2). Поэтому ХН с понижением частоты у ДКМ расширяется по сравнению с кардиоидой. При эксплуатации в студиях рабочее расстояние ДКМ обычно не менее 0,5 – 1 м, поэтому фактор ближнего поля не приводит обычно к существенному (уже кардиоиды) обострению ХН, а подъем фронтальной ЧХЧ на НЧ не превышает чувствительность в опорной зоне. Для иллюстрации различного влияния удаленности микрофона от источника сигнала, на рис. 2.14 приведены экспериментальные ЧХЧ двухмембранного микрофона МК-17 и одномембранного МКЭ-2 в плоской волне (снятая на НЧ в установке «бесконечная труба») и при R=1м в заглушенной камере № 3 (ВНИИРПА им. А.С. Попова). Как следствие при работе с ДКМ тембр голоса вокалиста или музыкального инструмента также практически не изменяется с расстоянием. Именно этим и объясняется основная особенность звучания ДКМ по сравнению с ОКМ, а не «золотыми» мембранами. Технология производства ДКМ сложнее, чем ОКМ, поэтому они, как правило, дороже. Однако хотя бы 2–3 модели ДКМ производит почти каждая крупная фирма профессиональных микрофонов. Наиболее старая и известная из них – нижеупомянутая немецкая фирма Neumann. В нашей стране на производстве ДКМ специализируется предприятие «Неватон» (г.СанктПетербург), три модели (с капсюлями разработки ВНИИРПА) также изготавливает предприятие «Октава» (г.Тула).
