Amateur Radio Station R9AL

Звуковые колебания.

     Мы с вами живем в мире звуков. Научно доказано, что почти 20% информации человек получает через слух. У человека есть хорошо развитый речевой аппарат, а наши уши - очень хорошие датчики для восприятия звуков, что позволяет нам не только получать информацию в виде звука, но и обмениваться ею.

Но что же такое звук?



     Давайте посмотрим на обыкновенную гитару. Пока мы её не трогаем - она не издает никаких звуков, но стоит нам дернуть струну - мы услышим звук. Струна, пока мы её не трогаем, находится в равновесии, но стоит нам её вывести из её равновесия и отпустить, как она сразу постарается вернуться обратно, но энергия струны столь велика, что она "проскочит" положение равновесия, после чего попытается вернуться обратно и так будет повторяться, пока энергия струны не из расходуется. Говорят, струна колеблется. Этот процесс очень похож на работу маятника или на качели, но в отличии от них струна колеблется очень быстро. Эти колебания заставляют колебаться воздух, а тот, в свою очередь, заставляет колебаться барабанную перепонку уха и мы слышим звук. Но почему мы тогда не слышим колебания качелей или маятника?

     Все дело в том, что качели колеблются слишком медленно, человеческое ухо устроено так, что мы воспринимаем только колебания, которые происходят с частотой более 16 колебаний в секунду, все что медленнее называется инфразвуком. Принято считать что нижняя граница звукового диапазона, воспринимаемого человеком - 20 Гц (20 колебаний в секунду). А есть ли верхняя граница? Есть. Это частота 20 кГц (20 тысяч колебаний в секунду). Дальше начинается ультразвук, который мы не слышим, но который слышат некоторые животные, например летучие мыши.

     Звуковые волны могут распространяться в различных средах: в газах, жидкостях и твёрдых телах. Но не могут распространяться в вакууме. В 1600 годах Роберт Бойль поместил тикающие часы в закрытую стеклянную банку, и начал откачивать воздух. Когда воздух откачали - часы продолжали исправно идти, но звука от них не было слышно. Кстати, скорость звука в разных средах тоже разная, например в воздухе - всего 330 м/с, а вот в воде уже 1430 м/с.

С механическими колебаниями разобрались, теперь давайте посмотрим как можно преобразовать электрические колебания в механические колебания и обратно.

Электромагнитный телефон.



Его еще называют "Телефонный капсюль", видимо потому что впервые такой принцип электромагнитного звукоизлучателя был использован в телефонах еще в 1860-х и используется до сих пор. Принцип работы звукоизлучателя очень простой:


     Звуковые колебания создаются за счёт движения мембраны из магнитного материала в поле неподвижного электромагнита за счет изменения магнитного поля с помощью катушки. У этого излучателя есть одно неоспоримое достоинство - он очень чувствителен к слабым сигналам, но отсюда и недостаток - он очень тихий, что прекрасно подходит для телефонной трубки или наушников, но совершенно не годится для группового прослушивания. Для решения этой проблемы долгое время использовались рупоры (как у граммофона), трубы в виде конуса. Но качество таких излучателей было не очень хорошим, кроме того они были весьма громоздкими.



     В 1915 году Питер Йенсен предложил вместо мембраны использовать металлический якорь, соединённый с бумажным диффузором (знаменитые "тарелки" работали именно так), что позволило отказаться от громоздкого рупора.

Электромагнитный телефон может использоваться и в качестве микрофона, т.е. для преобразования механических колебаний в электрические. Принцип очень простой, звуковые волны воздействуют на мембрану, которая в свою очередь влияет на магнитное поле, а изменение магнитного поля будет создавать ЭДС в катушке.

Условное графическое обозначение:


Динамическая головка.




     В 1924 году Честер У. Райс и Эдвард У. Келлог представили конструкцию динамического громкоговорителя, которая в последующие годы вытеснила электромагнитные громкоговорители из большинства областей применения. Однако это произошло не сразу: дело в том, что электродинамический громкоговоритель требует для работы магнита большой силы, до конца 40-х годов в громкоговорителях использовались электромагниты, что требовало дополнительного источника постоянного тока. Это ограничивало использование динамиков в батарейных приёмниках. В то же время, в недорогих сетевых приёмниках недостаток превращался в достоинство: полевая обмотка служила дополнительным фильтром питания для источника анодного напряжения, что упрощало и удешевляло конструкцию.


     Принцип работы очень простой, динамическая головка имеет в своей конструкции неподвижный магнит, подвижную проволочную катушку и легкий жесткий диффузор, прочно приклеиваемый к этой катушке. Когда через катушку, помещенную в магнитное поле постоянного магнита, течет переменный ток, она начинает совершать колебательное движение, которое передается диффузору.

Такие динамические головки (иногда их называют просто динамиками) по настоящее время используются в самой различной аппаратуре.

Условное графическое обозначение:


     Динамическая головка может использоваться и в качестве микрофона, звуковые волны воздействуют на диффузор, который двигается сам и двигает приклеенную к нему катушку в магнитном поле магнита, в результате в катушке создается ЭДС.

Пьезоэлектрический излучатель.



     Пьезокерамический излучатель состоит из металлической пластины, на которую нанесён слой пьезоэлектрической керамики, имеющий на внешней стороне токопроводящее напыление. Пластина и напыление являются двумя контактами. Для увеличения громкости звука к металлической пластине может крепиться небольшой рупор в виде металлического или пластикового купола с отверстием.

Принцип действия основан на пьезоэлектрическом эффекте, открытом братьями Пьером и Жаком Кюри еще в 1880 году, и заключающемся в том, что в некоторых кристаллах (кварц, турмалин, сегнетова соль и др.) под действием приложенных механических сил на их гранях образуются электрические заряды. В зависимости от вида кристалла, заряды могут появиться и при сдвиге, изгибе и кручении. Кроме вышеописанного "прямого" эффекта существует и обратный эффект (который был теоретически предсказан в 1881 году Липманом и экспериментально подтвержден в работах Кюри). Если приложить электрическое напряжение к обкладкам пьезокристалла, то кристалл начнет деформироваться: удлиняться, изгибаться, скручиваться и т. д. Идея использовать такие кристаллы в конструкции электроакустических преобразователей появилась очень давно и была реализована в период 1920-1940 годов в звукоснимателях, микрофонах, акселерометрах, ультраакустических преобразователях и пр.


     Пьезоизлучатель также может использоваться в качестве пьезоэлектрического микрофона или датчика.
В Tinkercad Circuits пьезоизлучатель выглядит так:






Copyright © R9AL 2021 Все права защищены

Рейтинг@Mail.ru Яндекс цитирования