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 2020 Все права защищены
