К ВОПРОСУ О ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ МИКРОФОНА НОВОГО ТИПА

Настоящая работа является продолжением цикла работ авторов, посвященных электроакустическим и акустоэлектрическим преобразователям нового типа (см., например, работы [1–4] и целый ряд других работ). Основное внимание в работе уделяется согласованию преобразующей части микрофона с регистрирующей аппаратурой при приеме звука. Основные принципы преобразования акустического поля в электрический сигнал описаны, например, в работе [3] и в ряде других работ авторов, находящихся в печати. Существенное значение в эффективности работы рассматриваемого преобразователя имеет использование при приеме режима накачки, описанного, видимо, впервые в работе [5].

Работа рассматриваемого микрофона основана на том, что его устройство позволяет преобразовывать стороннее акустическое давление в разность потенциалов на электродах, внутри которых находится пористая среда (его устройство описано, например, в [3]). Основной проблемой при реализации такого микрофона является его согласование с регистрирующим устройством, в качестве которого в настоящей работе служил спектроанализатор марки Agilent, а также необходимость подавления сторонних помех.

ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ

Задачей работы является создание согласующего устройства (называемого далее медиатором) между собственно акустоэлектрическим преобразователем и регистрирующим устройством с целью подавления сторонних помех и в конечном итоге повышения чувствительности описываемого преобразователя. Кроме того, важным является определение чувствительности созданного приемного устройства.

РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ

Для решения поставленной проблемы был создан и апробирован трансформатор сопротивлений (медиатор) , принципиальная электрическая схема которого изображена на приведенном рисунке.

Основные технические характеристики медиатора:

Входное сопротивление устройства не менее 0.5 МОм, выходное сопротивление не более 20 Ом, коэффициент передачи около 0.98. Частотная характеристика устройства практически равномерна в диапазоне от 20 Гц до 2–2.5 МГц, при дальнейшем увеличении частоты наблюдается медленный спад коэффициента передачи до величины 0.7 на частоте 10 МГц. В устройстве применены транзисторы с h -параметрами: 1-й — h 21э = = 100 и 2-й — h 21э = 75. Медиатор получает питание от стандартного адаптера с выходным напряжением 12 В, потребляемый ток около 20 мА. Для получения необходимого коэффициента передачи тока применен составной транзистор (при указанных величинах передачи тока не менее 7000).

С целью уменьшения помех медиатор, приемник воздушного давления (ПВД), источники электропитания, все соединительные провода помещены в экранирующие элементы. Кроме того, на ПВД предусмотрена возможность подачи постоянного напряжения до 1000 В для демонстрации влияния накачки постоянным напряжением на величину чувствительности ПВД.

Принципиальная электрическая схема микрофона и согласующего устройства

ЭКСПЕРИМЕНТ

Условия эксперимента

Для определения характеристик микрофона был проведен ряд экспериментов. Со звукового генератора на динамик (источник звукового поля) подавалось напряжение частотой 1000 Гц (при измерении чувствительности микрофонов обычно используется именно эта частота). Звуковое давление с динамика поступало на апертуру микрофона. Электрическое напряжение с выхода микрофона подавалось на спектроанализатор, на котором наряду с широкополосными шумами, сопровождающими эксперимент, фиксировалась величина дискретной составляющей в децибелах на частоте 1000 Гц, поступающей с микрофона.

Чувствительность без напряжения накачки

В условиях отсутствия накачки определялся уровень давления на плоскости микрофона pдБ , при котором спектроанализатором надежно иден- тифицировался сигнал отклика микрофона, на 3– 4 дБ превышающий уровень шумов. При этом уровень акустического давления на апертуре микрофона составил 70 дБ (или, как показано в Приложении, по (П3) p = 0.0632 Па).

Чувствительность c напряжением накачки Uнак = 1000 В

При накачке при тех же условиях определения наличия сигнала отклика микрофона в 3–4 дБ превышения уровня шумов порог чувствительности по давлению составил 48 дБ, что соответствует величине порогового давления p = 0.005024 Па.

В обоих случаях выходное напряжение с микрофона составило 10 мВ. Чувствительность микрофона (ф-ла (П4) Приложения) в мВ/Па составила в условиях без накачки S = 158.1мВ/Па и S = 1990.5 мВ/Па с накачкой. В единицах дБ чувствительность (по (П6)) составила соответственно L = -16 дБ без накачки и L = 6 дБ с накачкой, что составило различие в 22 дБ или в линейном масштабе означает, что в 12 раз чувствительность с накачкой превышает чувствительность без накачки.

Здесь для сравнения приведем данные из источника [6] (статья "Микрофон" в Википедии). Наилучшие показатели чувствительности из многих типов микрофонов, согласно [6], имеет угольный микрофон. Чувствительность такого микрофона составляет до 1000 мВ/Па при рабочей частоте 300–3400 Гц. Следом идет пьезоэлектрический микрофон с чувствительностью 50 мВ/Па, с диапазоном 100–5000 Гц. Конденсаторный микрофон расположен на третьем месте и имеет чувствительность 5 мВ/Па с диапазоном 30–15 000 Гц. Как видно, в режиме накачки рассматриваемый микрофон почти вдвое превосходит по чувствительности угольный микрофон.

ВЫВОДЫ

В результате проведенной работы создан медиатор, позволяющий достигать значительных уровней чувствительности предложенного авторами микрофона. Отметим также влияние накачки, позволяющей значительно (согласно приведенным данным экспериментов — в 12 раз) повышать чувствительность микрофона.

Работа выполнена в ИАП РАН в рамках Государственного задания 075-00780-20-00 по теме № 00742021-0013 Министерства науки и высшего образования.

ПРИЛОЖЕНИЕ.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В РАБОТЕ

Калибровка анализатора

(определение опорного напряжения, относительно которого расчитывается децибельная шкала анализатора)

• 1.    На спектроанализатор со звукового генератора подается электрический сигнал напряжением U _зг , В.

• 2.    На спектроанализаторе измеряется его уровень в дБ — U _{зг дБ} .

• 3.    В предположении, что уровень в вольтах U ₀ , относительно которого вычисляется уровень в дБ на спектроанализаторе (опорное напряжение), получаем

U зг дБ = 20lg ( U зг / U 0 ) .

Отсюда имеем для уровня опорного напряжения спектроанализатора U ₀

U зг дБ /20 = 1g ( U зг / U 0 ) , U = 10 ^U зг ^дБ / ²⁰,

U 0

• или U_o = — U ^зг .                       ^(П1)

0     10 U зг дБ /20

Для получения величины U ₀ из (П1) были проведены следующие измерения. На спектроанализатор последовательно подавалось измеренное вольтметром напряжение звукового генератора (величины представлены в верхней строке таблицы), а по выражению (П1) вычислялось соответствующее ему опорное напряжение U ₀ (нижняя строка таблицы).

Как видно из таблицы, величина опорного напряжения U ₀ варьируется относительно значения U ₀ = 1В с некоторой погрешностью. Это связано с влиянием помех и неточностью измерений величин U _зг и U _{зг дБ} соответственно спектроанализатором и вольтметром. Таким образом, величина опорного напряжения спектроанализатора была принята равной U ₀ = 1В.

Уровень выходного напряжения с микрофона

После определения опорного напряжения спектроанализатора легко определить амплитуду выходного напряжения гидрофона U на заданной частоте по его считанному с экрана анализатора значению в дБ — U _{Е дБ}. Величина U _{Е дБ} определяется путем суммирования значения в дБ, соответствующего нижней границе децибельной шкалы экрана U _0дБ (устанавливается в настройках спектроанализатора), и собственно значения уровня

Таблица измерений U 0

Напряжение    звукового генератора Uзг , В 1.5 2 2.5 3 4.5 5 Калибровочное (опорное) напряжение U0 , В 1.06 1.12 0.995 1.06 1.13 0.99 спектра в дБ на экране анализатора UдБ : ll K =un K +u

2 дБ      0дБ      дБ .

По определению, величина U _{Е дБ} равна

U. _Б = 20lg ^U .

ДДБ       Отт

U ₀

Отсюда получаем

^U Х дБ

U _ U о 1О ²⁰ , В.

Здесь U ₀ определено выше из (П1). Учитывая, что в нашем случае U ₀ = 1В, получаем окончательно в милливольтах

^U В дБ

U = 1000 - 10 ²⁰,мВ.             (П2)

Уровень звукового давления

Измеренное в логарифмических единицах p _дБ [дБ] значение звукового давления p , Па, отнесенное к опорному давлению p ₀ = 20 мкПа, соответствующему порогу слышимости синусоидальной звуковой волны частотой 1 кГц, равно:

Р дБ = ²⁰lg V,, = ^20lg- [дБ].

20 µ Па       p ₀

Обычно измерение уровня pдБ в децибелах осуществляется стандартными шумомерами. Отсюда для перевода в Па измеренного в дБ уровня давления обращают предыдущее выражение p = p0 -10РдБ/20 = 2 -10—5 -10РдБ/20 Па. (П3)

Чувствительность микрофона

Чувствительность микрофона S определяется отношением напряжения на выходе микрофона в мВ к звуковому давлению p в Па на микрофоне, как правило, в свободном звуковом поле [ 1 ] , т.е. при отсутствии влияния отражающих поверхностей. При распространении синусоидальной звуковой волны в направлении рабочей оси микрофона эта чувствительность называется осевой чувствительностью:

• 5 = U , мВ/Па.                 (П4)

p

В (П4) величина U вычисляется из выражения (П2), а величина p — из (П3). Поэтому окончательно имеем

U 0дБ + U дБ u_ _ 1000 -10 20 p ~ 2 -10—5 -10РдБ/20 .

(П5)

В децибелах чувствительность микрофона определяется как 20 десятичных логарифмов отношения реальной чувствительности S к чувствительности 5 ₀ _ 1 В/Па. Вычисление выполняется

S с помощью функции L _ 20lg—, дБ, где

S 0

S , мВ/Па, — реальная чувствительность микрофона; 5 ₀ _ 1 В/Па (или 1000 мВ/Па). Окончательно

L = 20lg- ⁵ -, дБ.               (П6)