Elektrické měření

Elaboráty

Elektroakustická měření

Zadání

1)      Změřte a nakreslete závislost impedance elektrodynamického reproduktoru na

kmitočtu. Měření proveďte na hloubkovém i výškovém reproduktoru.

2)      U obou typů reproduktorů zjistěte velikost vlastní rezonance a jmenovité impedance.

3)      U obou typů reproduktorů změřte směrové charakteristiky a výsledek vyneste do  polárního diagramu.

4)      Proveďte návrh podobného měření pro různé typy mikrofonů.

Teoretický úvod

Mikrofony

Mikrofony slouží k přeměně akustické energie na elektrickou. Jako prvý člen elektroakustického řetězce mají podstatný vliv na kvalitu signálu.

Princip přeměny akustického signálu na elektrický

Princip činnosti mikrofonu je jednoduchý. Akustický signál, který se projevuje změnami akustického tlaku, rozechvívá mechanický systém (membránu), jehož pohyb je snímán vhodným elektromechanickým měničem. Pokud akustický tlak působí jen na jednu stranu membrány, mluvíme o tlakových mikrofonech. V tomto případě amplituda membrány nezávisí na směru ani na vzdálenosti zdroje, ale pouze na akustickém tlaku. Takový mikrofon je všesměrový, má kulovou směrovou charakteristiku.

Jiný případ nastane, přivede-li se akustický signál vhodným způsobem i na zadní stranu membrány. Potom již výchylka membrány nezávisí na velikosti akustického tlaku, ale na rozdílu akustického tlaku před membránou a za ní. Čím je tento rozdíl větší (čím je větší tlakový spád - gradient) tím je větší i výchylka membrány. Takovým mikrofonům se říká gradientní. U gradientních mikrofonů tedy výchylka membrány a tím i velikost výstupního napětí závisí na derivaci akustického tlaku podle směru šíření. Pokud je výchylka membrány úměrná první derivaci, pak mluvíme o gradientních mikrofonech prvého řádu. Tyto mikrofony se též nazývají rychlostní. U gradientních mikrofonů druhého řádu je výchylka membrány úměrná druhé derivaci akustického tlaku podle směru šíření atd. Z toho co bylo uvedeno vyplývá, že velikost výstupního signálu gradientního mikrofonu je závislá na poloměru zakřivení akustické vlnoplochy. Čím větší zakřivení, menší poloměr, bližší akustický zdroj, tím větší výstupní signál. Pro vzdálený zdroj, u kterého můžeme počítat s rovinnou vlnou (nekonečně velký poloměr zakřivení) je výstupní napětí nulové. Gradientní mikrofony se používají pro snímání akustického signálu ve studiích a pro přenos řeči z hlučného prostředí.

Směrová charakteristika

Směrová charakteristika je závislost citlivosti mikrofonu na úhlu, který svírá akustická osa mikrofonu s osou akustického zdroje. Jak již bylo řečeno, tlakové mikrofony jsou všesměrové. Jejich směrová charakteristika je kulová.

Gradientní mikrofony jsou směrové. Podle konstrukce mohou mít, osmičkovou, ledvinovou, superledvinovou charakteristiku. Směrová charakteristika se může měnit s kmitočtem. Mikrofon se superledvinovou charakteristikou je určen pro přenos řeči ze zvláště hlučného prostředí.

Rozdělení mikrofonů

Mikrofony můžeme rozdělovat podle různých kritérií. Např. podle druhu akustického přijímače (tlakové, gradientní, vlnové) nebo podle směrové charakteristiky, či druhu mechanického systému (membránové, bezmembránové) atd. Dále se budeme zabývat rozdělením mikrofonů podle druhu elektromechanického měniče. Mikrofony mohou využívat měniče reciproké a nereciproké. Reciproké elektromechanické měniče využívají přímo fyzikální principy a jsou obousměrné. To znamená, že tentýž měnič může převádět akustický signál na elektrický, nebo elektrický na akustický. Jinak řečeno - tentýž měnič může pracovat jako přijímač, nebo i jako vysílač. Nereciproké převodníky nevyužívají fyzikální principy, ale pouze vhodné vlastnosti. Typický představitel nereciprokého měniče je uhlíkový mikrofon (uhlíková mikrofonní vložka telefonního přístroje), u kterého je využita závislost velikosti elektrického odporu uhlového prachu na jeho stlačení.

Reciproké elektromechanické měniče rozdělujeme podle fyzikálního principu: elektrodynamický, elektromagnetický, elektrostatický, piezoelektrický a magnetostrikční. Dále tyto měniče rozdělujeme na dvě skupiny: rychlostní - výstupní napětí je úměrné rychlosti pohybu membrány (elektromagnetické, elektrodynamické, magnetostrikční) a výchylkové - výstupní napětí je úměrné výchylce membrány (elektrostatický, piezoelektrický).

Elektrodynamické mikrofony

S elektrodynamickými mikrofony (často se nazývají jen dynamickými) se v praxi setkáváme velmi často. Vyznačují se dostatečně širokým kmitočtovým pásmem, malým zkreslením, nízkým šumem a robustní konstrukcí. Elektrodynamický mikrofon může být s membránou, nebo bez ní (páskový). Je-li membrána použita, je s ní spojena kmitací cívka, která se v rytmu změn akustického tlaku pohybuje v magnetickém poli permanentního magnetu.

Pohybem cívky v magnetickém poli se v ní indukuje napětí úměrné rychlosti změny akustického tlaku. U páskových elektrodynamických mikrofonů je membrána s cívkou nahrazena příčně zvlněnou hliníkovou fólií ve tvaru pásku. Pásek, který je umístěn v magnetickém poli, je rozechvíván změnami akustického tlaku a přímo v něm se indukuje nízkofrekvenční elektrický signál.

Elektrodynamické mikrofony mohou být tlakové nebo gradientní. Snímací prvek zůstává stejný, mění se jen mechanická konstrukce. U gradientních mikrofonů se akustický tlak přivádí i na zadní stranu membrány (resp. pásku).

Dynamické mikrofony jsou nízkoimpedanční se jmenovitou impedancí 200 W. Jejich citlivost bývá kolem 1,5 mV/Pa. Kvalitní výrobky uspokojivě přenášejí signály v rozsahu 30 Hz-15 kHz, při zkreslení menším než 0,5 %.

Na stejném fyzikálním principu jako elektrodynamické mikrofony pracují mikrofony elektromagnetické. U těchto mikrofonů je snímací cívka pevná. Není tedy spojena s membránou. Pohyb chvějky, která je s membránou spojena, případně přímo membrány, mění magnetický tok cívkou a tím v ní indukuje nízkofrekvenční signál. Elektromagnetické mikrofony se vyznačují malými rozměry a nízkou cenou, ale také omezeným kmitočtovým rozsahem (300-3500 Hz). Jsou vhodné jen pro přenos řeči.

Elektrostatické mikrofony

Elektrostatické mikrofony, často nesprávně označované jako kondenzátorové, jsou složeny ze dvou od sebe izolovaných elektrod. Před pevnou elektrodou je v malé vzdálenosti umístěna membrána z kovové nebo metalizované fólie. Na takto vzniklý kondenzátor o kapacitě 30-100 pF je připojeno stejnosměrné polarizované napětí o velikosti 30-200 V. Změny akustického tlaku rozechvívají membránu, mění se vzdálenost d a tím kapacita kondenzátoru.

Na jiném principu snímání změny kapacity pracuje tzv. vysokofrekvenční elektrostatický mikrofon. Proměnná kapacita je zapojena v obvodu vysokofrekvenčního oscilátoru. Působením zvuku dochází k frekvenční modulaci oscilátoru. Demodulací pak získáme nízkofrekvenční signál.

Elektretové mikrofony

Kromě elektrostatických mikrofonů s polarizačním napětím se používají i elektrostatické mikrofony elektretové. U těchto mikrofonů je jedna elektroda opatřena vrstvou elektretu. Elektret je dielektrický materiál nesoucí permanentní elektrický náboj. Není tedy potřebný zdroj polarizačního napětí.

Piezoelektrické mikrofony

Tyto mikrofony, které se často nazývají též krystalové, využívají piezoelektrického jevu. U některých látek (krystaly, keramické materiály, plastické hmoty) vzniká. při mechanickém namáháni tlakem nebo ohybem elektrický náboj, který se snímá elektrodami. Piezoelektrické mikrofony mají poměrně velkou impedanci (vnitřní kapacita kolen jednoho nF) a citlivost 1-3 mV/Pa.

Elektrické charakteristiky mikrofonů

Citlivost

Citlivost mikrofonu je poměr výstupního napětí mikrofonu a akustického tlaku, který toto napětí vybudil. Udává se ve V/Pa nebo v mV/Pa. Citlivost lze také vyjádřit jako poměrnou hodnotu v dB vztaženou k referenční úrovni 1 V/Pa. Citlivost mikrofonu je obecně frekvenčně závislá.

Impedance

Elektrická impedance mikrofonu je impedance změřená na jeho výstupních svorkách. Její velikost je důležité znát pro optimální přizpůsobení mikrofonu k zesilovači. Impedance je kmitočtově závislá a většinou se udává pro kmitočet 1 kHz. Vstupní impedance zesilovače by měla být 5-10krát větší než impedance mikrofonu. Zatížení mikrofonu příliš nízkou vstupní impedancí zesilovače, má za následek zkreslení kmitočtové charakteristiky, zvýšení zkreslení a snížení poměru signál šum.

Kmitočtová charakteristika

Kmitočtová charakteristika je závislost výstupního napětí mikrofonu na kmitočtu. Kmitočtová charakteristika by měla mít malé zvlnění v celém slyšitelném pásmu, tj. asi od 16 Hz do 16 kHz. U kvalitních mikrofonů bývá přiložen protokol se změřenou kmitočtovou charakteristikou.

Šum

Šumové vlastnosti mikrofonu se vyjadřují odstupem šumového napětí. Je to poměr mezi výstupním napětím mikrofonu, které vyvolá referenční hladina zvuku o velikosti 94 dB (tomu odpovídá akustický tlak 1 Pa) k napětí na výstupu mikrofonu (šumovému) při jeho umístění v dokonale tichém prostředí. Vlastní šum mikrofonu je způsoben elektrickými obvody (cívka, zesilovač) a zároveň tepelným pohybem molekul vzduchu, které naráženi na membránu.

Reproduktory

Posledním členem elektroakustického přenosového řetězce je reproduktor. Tento elektroakustický měnič převádí elektrickou energii na akustickou.

Pro použití reproduktoru je nutno znát jejich parametry. Jedná se především o jmenovitou impedanci a charakteristickou citlivost, příkon, kmitočtovou a směrovou charakteristiku

Kmitočtová charakteristika

Kmitočtová charakteristika je závislost hladiny akustického tlaku v určitém bodě před reproduktorem na kmitočtu, při konstantním napětí na svorkách reproduktoru. Udává se obvykle pro bod v ose reproduktoru. Pro kvalitní reprodukci by měl být frekvenční rozsah alespoň 30 Hz-15 kHz. Kmitočtová charakteristika se měří v dostatečné vzdálenosti od reproduktoru ve volném prostoru (v bezdozvukové místnosti).

V celém akustickém pásmu nelze uspokojivou reprodukci zajistit jedním reproduktorem. Vyhovující přenosové vlastnosti může mít jedině soustava reproduktorů, z nichž každý přenáší jen určité kmitočtové pásmo. Proto se vyrábějí reproduktory hlubokotónové, středotónové a vysokotónové. Pro méně náročná použití pak reproduktory širokopásové, miniaturní, atd. Pro některé aplikace je výhodné použít reproduktor s omezenou frekvenční charakteristikou. Tak lze například dosáhnout lepší srozumitelnosti řeči.

Směrová charakteristika

Směrová charakteristika reproduktoru je závislost akustického tlaku před reproduktorem na úhlu, který svírá osa reproduktoru a spojnice reproduktoru a měřicího mikrofonu. vyjadřuje se většinou v polárních souřadnicích. Pro kmitočty, jejichž vlnová délka je značně větší než průměr ústí reproduktoru (alespoň 4krát) můžeme považovat směrovou charakteristiku za kulovou. V praxi to platí pro kmitočty nižší než 300 Hz. S rostoucím kmitočtem se směrovost rychle zvyšuje. Pro kmitočty nad 5 kHz je vyzařovací charakteristika již úzce směrová. Sestavením jednotlivých reproduktorů, nebo reproduktorových soustav můžeme získat vyzařovací charakteristiku podle potřeby.

Rezonanční kmitočet

Rezonanční kmitočet je nejnižší kmitočet, při němž vykazuje impedance reproduktoru maximální hodnotu. Udává se jen u přímo vyzařujících reproduktorů a je jím dán dolní mezní kmitočet reproduktoru. Rezonanční kmitočet může být snížen akustickou zátěží, např. umístěním reproduktoru v ozvučnici.

Jmenovitá impedance

Jmenovitá impedance je nejmenší absolutní hodnota elektrické impedance reproduktoru v kmitočtovém pásmu, pro které je určen. Jmenovitá impedance by v celém kmitočtovém pásmu neměla klesnou o více než 20 % proti udávané hodnotě. Toto u některých výrobků na nízkých kmitočtech není splněno a při větším snížení impedance může dojít k přetížení zesilovače.

Účinnost

Účinnost udává poměr vyzářeného akustického výkonu k elektrickému příkonu, při optimálním výkonovém přizpůsobení. Účinnost reproduktoru je velmi malá a pohybuje se v rozmezí 1-6 %. Vestavěním reproduktoru do ozvučných skříní se účinnost ještě zmenší. Čím jakostnější reproduktorové soustavy, tím mají menší účinnost. Zvětšit účinnost reproduktorů je možné zúžením přenosového pásma. Všeobecně platí, že účinnost klesá s rozšiřujícím se frekvenčním rozsahem. Účinnost nemá většinou velký význam, protože její malou hodnotu lze kompenzovat zvýšením výkonu zesilovače.

Charakteristická citlivost

Charakteristická citlivost je průměrná velikost efektivního akustického tlaku v daném kmitočtovém pásmu, v ose reproduktoru, ve vzdálenosti 1 m a při standardním příkonu 1 VA. Většinou se vyjadřuje v dB jako poměr naměřeného akustického tlaku k referenční hodnotě, která j e 2 . 10^-5 Pa. Znalost charakteristické citlivosti reproduktoru je důležitá hlavně pro návrh reproduktorových soustav.

Druhy reproduktorů

Podle způsobu vyzařování, lze reproduktory rozdělit na přímo vyzařující a nepřímo vyzařující. U přímo vyzařujících je akustická energie vyzařována kmitající membránou, která bezprostředně navazuje na okolní prostředí. U nepřímo vyzařujících reproduktorů je mezi membránu a prostředí vložen zvukovod, případně další akustický obvod.

Podle typu elektromechanického měniče lze reproduktory rozdělit na: elektrodynamické, elektromagnetické, piezoelektrické, elektrostatické, speciální (tepelné, pneumatické).

V současné době je nejrozšířenější elektrodynamický reproduktor. Principem je silové působení na vodič umístění v magnetickém poli, kterým protéká proud.

Elektrodynamický přímo vyzařující reproduktor se skládá z kmitací cívky, která je umístěna v mezeře permanentního magnetu (homogenní pole) a je pevně spojena s kuželovou membránou. Membrána je po obvodě opatřena poddajným okrajem, kterým je uchycena ke kostře (koši) reproduktoru a který současně umožňuje její axiální (pístový) pohyb. Membrána musí být lehká a přitom dostatečně tuhá s velkým vnitřním tlumením, aby byl omezen vznik nežádoucích parazitních kmitů. Většinou je zhotovena z papírové hmoty, používají se však i membrány z plastických hmot a kovů (vyšší cena). Cívka s membránou je vychylována z rovnovážné polohy v rytmu procházejícího nízkofrekvenčního proudu a tento pohyb se přenáší na částice vzduchu.

Elektrodynamické reproduktory

Většinou jsou elektrodynamické reproduktory vyráběny s kónusovou membránou (přibližně kuželový, ale nerozvinutelný tvar, průřez většinou kruhový, ale může být i oválný). Dalším druhem je reproduktor s kalotovou membránou. Membrána tohoto reproduktoru je tvořena kulovým vrchlíkem, který pístově kmitá. Toto uspořádání se používá především u výškových, nebo i středotónových reproduktorů. S ohledem na malý rozměr membrány (vrchlíku) mají tyto reproduktory velmi dobrou směrovou charakteristiku.

Dalším typem elektrodynamického reproduktoru je reproduktor páskový. Mezi póly permanentního magnetu je pohyblivě uložena slabá hliníková fólie, kterou prochází budící proud. Výhodou je velmi malá hmota kmitacího systému. Používá se jako vysokotónový reproduktor. Malá vyzařovací plocha vyžaduje použití zvukovodu, což zhoršuje jeho jinak výhodné vlastnosti.

Piezoelektrické reproduktory

Tyto reproduktory jsou založeny na piezoelektrickém jevu. U piezoelektrických měničů se využívá toho, že v některých materiálech (krystaly, speciální keramika a plasty), vzniká působením elektrického pole mechanické napětí. Toto napětí vyvolává síly, které mechanicky deformují materiál. Vhodným uspořádáním se tato deformace převádí na výchylku kmitacího systému. Nejrozšířenějšími piezoelektrickými reproduktory j sou výrobky firmy Motorola, které využívají keramické měniče. Většinou jsou vyráběny se zvukovody. Používají se pro reprodukci středních a zvláště pak vysokých kmitočtů.

Elektrostatické reproduktory

Elektrostatické reproduktory pracují na principu vzájemného přitahování či odpuzování elektricky nabitých desek. Funkce je opačná k funkci elektrostatického mikrofonu. Také zde je jedna pevná elektroda a jedna pohyblivá. Tenká membrána je umístěna proti pevné elektrodě izolovaně v malé vzdálenosti. Mezi membránu a pevnou elektrodu je připojeno stejnosměrné polarizační napětí. Pohyb membrány odpovídá změně náboje způsobené přivedeným nízkofrekvenčním signálem. Citlivost závisí na velikosti předpětí a frekvenční rozsah na ploše membrány. Elektrostatické reproduktory se používají pro reprodukci vysokých tónů.

Tlakové reproduktory

Tlakové reproduktory patří mezi reproduktory s nepřímým vyzařováním. U nepřímo vyzařujících reproduktorů je membrána spojena s vnějším prostředím zvukovodem. v případě, že plocha membrány je větší než plocha vstupního otvoru do vlnovodu, mluvíme o tlakovém reproduktoru. U tlakových reproduktorů je tedy plocha membrány větší než plocha vstupu do zvukovodu. Při výchylce membrány musí vytlačený objem vzduchu projít vstupem zvukovodu a protože ten má plochu menší je zřejmé, že musí vzrůst objemová rychlost. Akustický výkon, který je přímo úměrný akustické objemové rychlosti, tedy bude při stejném příkonu vyšší. To znamená podstatné zvýšení účinnosti asi na 20 %, zatím co přímo vyzařující reproduktory mají účinnost většinou 1-5 %.

Jednou z aplikací tlakového reproduktoru je megafon. Skládá se z mikrofonu, zesilovače a tlakového reproduktoru. Lze jím uskutečnit přenos řeči na vzdálenost až 500 m.

Schéma zapojení

Postup měření

Pro měření impedanční charakteristiky použijete klasickou VA metodu. K měření použijte generátor s nízkou výstupní impedancí, tzn. s výstupním transformátorem. S výhodou lze využít záznějové generátory. Napětí měřte nf milivoltmetrem, hodnotu proudu udržujte konstantní o velikosti 2 - 10mA.

Při vlastním měření bedlivě hlídejte hodnotu vlastní rezonance, která se projeví prudkým zvýšením impedance reproduktoru. Jmenovitou impedanci reproduktoru získáte v okolí kmitočtu, kde hodnota impedance poklesne na minimum. Směrem k vyšším kmitočtům pak bude impedance opět vzrůstat. Při nevhodném nastavování frekvence však vlastní rezonanci reproduktoru ani nezaznamenáte.

Směrovou charakteristiku změříte zvukoměrem. Toto měření musíte provádět ve zvukotěsné místnosti za naprostého klidu. Reproduktor i zvukoměrný mikrofon umístěte ve stejné výšce ve vzdálenosti 1 - 2m od sebe. Na reproduktoru udržujte konstantní napětí a postupně jím otáčejte po 30°. Úroveň změřenou zvukoměrem zaznamenávejte do tabulky. Toto měření proveďte pro dva kmitočty - u hloubkového reproduktoru pro 80Hz a 5kHz, u výškového pro 200Hz a 5kHz. Z naměřených hodnot sestrojte polární diagramy reproduktorů.

Jiný způsob měření impedance reproduktoru spočívá v měření napětí na generátoru a reproduktoru. Impedanci pak lze určit ze vztahu .

Impedanci mikrofonu můžete zjistit pomocí substituční metody - pomocí přepínače zařadíte do obvodu jednou měřený mikrofon a podruhé proměnný odpor. Nastavíte-li pomocí tohoto odporu stejnou výchylku voltmetru EV jako při připojení mikrofonu, odpovídá velikost odporu potenciometru velikosti impedance reproduktoru.

Tabulky naměřených a spočítaných hodnot

hloubkový reproduktor

f_r = 40Hz                           šířka pásma: 1 kHz

výškový reproduktor

f_r = 157 Hz                        šířka pásma: 6,9 kHz

směrové charakteristiky:

hloubkový reproduktor – 80Hz

hloubkový reproduktor – 5kHz

výškový reproduktor – 200Hz

výškový reproduktor – 5kHz

Graf

Závěr

Měření směrové charakteristiky bylo částečně ovlivněno zvuky z okolí a odrazy od zdí. Hlavně o přestávkách bylo měření díky hluk velmi nepřesné, a proto jsme o přestávkách neměřili. U měření impedance jsme nejprve zjistili vlastní rezonanci a pak jsme nemuseli měřit v celém pásmu.