Юный радиолюбитель [7-изд]

Беседа 10 МИКРОФОНЫ, ЗВУКОСНИМАТЕЛИ, ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ГОЛОВКИ

Ты уже знаешь, что микрофон является преобразователем звуковых колебаний воздуха в электрические колебания, которые могут быть усилены, а затем преобразованы снова в звук.

Самый простой и самый старейший микрофон — угольный. Внешний вид некоторых малогабаритных угольных микрофонов показан на рис. 150. Это так называемые микрофонные капсюли типов МК-10 и МК-59, особенно широко используемые в телефонии.

Рис. 150. Угольные микрофоны

Устройство угольного микрофона в упрощенном виде, принцип его действия и графики, иллюстрирующие его работу, изображены на рис. 151.

Рис. 151. Работа угольного микрофона

Такой микрофон представляет собой металлическую коробку с угольным порошком, которую прикрывает гибкая металлическая или угольная пластинка-мембрана. Мембрана изолирована от коробки. Ток между ними может проходить только через угольный порошок. Источником тока является батарея GB. Пока перед микрофоном не говорят, мембрана находится в спокойном состоянии (рис. 151, а), в цепи микрофона, образованной батареей и угольным порошком, течет ток I_мк. Значение его зависит главным образом от сопротивления угольного порошка и определяется плотностью прилегания его частиц. Но вот перед микрофоном начали говорить. Под действием звуковых волн мембрана стала колебаться, то прогибаясь внутрь коробки (рис. 151, б), то выгибаясь наружу (рис. 151, в). Колеблясь, мембрана то уплотняет частицы угольного порошка, отчего его сопротивление уменьшается, то расслабляет контакты между ними, отчего сопротивление микрофонной цепи увеличивается. А если изменяется сопротивление микрофонной цепи, то (по закону Ома) изменяется и ток в ней.

Пока перед микрофоном не говорили, ток в его цепи был постоянным. Как только начали говорить, ток стал пульсировать с частотой звуковых колебаний. Микрофон, следовательно, преобразовал звуковые колебания воздуха в электрические колебания звуковой частоты. Если в микрофонную цепь включить электромагнитный телефон, то электрические колебания будут преобразованы им в звуковые колебания.

Ток звуковой частоты в микрофонной цепи образуют две его составляющие — постоянная, соответствующая среднему значению тока в цепи, и переменная, соответствующая амплитудным значениям колебаний тока, созданных микрофоном. В телефонии и в радиотехнических устройствах по проводам передают обычно только переменную составляющую, а постоянную, выполнившую свою задачу, как правило, замыкают в очень короткой микрофонной цепи.

Такое разделение тока звуковой частоты на его составляющие можно осуществить, например, с помощью трансформатора, что и иллюстрирует рис. 152.

Рис. 152. Разделение тока цепи микрофона на его составляющие

Здесь микрофон В1, источник тока GB и обмотка I трансформатора Т образуют первичную микрофонную цепь, а обмотка II трансформатора и телефон В2 — вторичную. В первичной цепи течет ток, пульсирующий в такт со звуковыми колебаниями воздуха перед микрофоном. Колебания этого тока индуцируют в обмотке II трансформатора переменное напряжение звуковой частоты, которое заставляет телефон звучать.

Именно так, между прочим, и передается разговор по проводам в телефонии. Но напряжение с обмотки II трансформатора можно подать на вход усилителя 3Ч, чтобы усилить его, а затем преобразовать в звук. Так именно и делают при усилении речи. Если в твоем хозяйстве найдется угольный микрофон и какой-либо повышающий трансформатор, а головные телефоны у тебя, надеюсь, есть, ты сможешь все то, о чем я сейчас рассказывал, проверить на опыте.

Для усиления речи в аппаратуре звукозаписи используются главным образом электродинамические микрофоны, например микрофоны МД-42, МД-47, внешний вид которых показан на рис. 153.

Рис. 153. Внешний вид микрофонов МД-42, МД-47 и устройство электродинамического микрофона

Микрофон электродинамической системы имеет сильный постоянный магнит 2, напоминающий толстостенный стакан, с круглым сердечником керном 3 в середине. Такой магнит, если разрезать его вдоль, похож на букву Ш. К стороне, противоположной «дну» магнита, прикреплен фланец 5 — стальная накладка с круглым отверстием в середине. Между фланцем и керном магнита узкий воздушный кольцевой зазор, в котором создается сильное магнитное поле. В кольцевом магнитном ноле, не касаясь ни керна, ни фланца, находится звуковая катушка 4 из изолированного провода. Катушка скреплена с мембраной 6, сделанной из алюминиевой фольги или пластмассы. Края мембраны гофрированы, благодаря чему она и скрепленная с ней звуковая катушка обладают подвижностью. Весь механизм микрофона находится в металлическом корпусе 1. В крышке корпуса сделаны отверстия для прохода звуковых волн.

Принцип работы такого микрофона основан на свойствах электромагнитной индукции, о которой я рассказывал тебе раньше. Пока катушка микрофона неподвижна, в ней не индуцируются электрические колебания, хотя она и находится и самой гуще магнитных силовых линий. Но вот перед микрофоном зазвучала, например, струна. Сразу же в такт с областями пониженного и повышенного давления звуковых волн начинает колебаться мембрана. Колеблясь, она увлекает за собой катушку. При этом катушка пересекает магнитные силовые линии и в ней индуцируется переменное напряжение той же частоты, что и у звуковых колебаний. Чем выше тон звука, тем выше частота этого тока. Чем громче звук, тем больше амплитуда электрических колебаний звуковой частоты.

В микрофонной подставке находится трансформатор 7, с помощью которого напряжение звуковой частоты, созданное электромагнитной системой микрофона, повышается и передается по проводам к усилителю 3Ч. Этот трансформатор называют согласующим: кроме повышения напряжения он еще согласует малое сопротивление катушки микрофона с относительно большим входным сопротивлением усилителя.

Принципиально так устроены и работают все электродинамические микрофоны широкого применения, в том числе микрофоны МД-47 и МД-66, предназначенные для работы совместно с промышленными и любительскими магнитофонами.

Образно говоря, грампластинки являются «хранителями» музыкальных произведений, опер, эстрадных исполнений, танцевальной музыки. Различают грампластинки монофонические, или, как часто говорят, обычные, и стереофонические. Для воспроизведения грамзаписи используют соответственно монофонические и стереофонические звукосниматели. В свою очередь по устройству и принципу работы различают магнитные (или электромагнитные) и пьезоэлектрические (или пьезокерамические) звукосниматели.

Упрощенное устройство и схематическое изображение магнитного монофонического звукоснимателя показаны на рис. 154.

Рис. 154. Упрощенное устройство и графическое обозначение магнитного монофонического звукоснимателя

Звукосниматель этой системы имеет сильный подковообразный постоянный магнит с С-образными полюсными наконечниками 5. Между полюсными наконечниками находится катушка 3, намотанная из тонкого изолированного провода, а внутри катушки якорь 2. Выступающая вниз часть якоря заканчивается иглой 1. Якорь удерживается в нейтральном положении надетой на него эластичной резиновой трубкой 4. Если кончик иглы отклонить вправо, то противоположный конец якоря отклонится влево. И наоборот, если кончик иглы отклонится влево, то противоположный конец якоря отклонится вправо. Каждое колебание якоря вызывает изменение состояния магнитного поля в зазоре полюсных наконечников, а изменяющееся магнитное поле возбуждает в катушке переменное напряжение.

Рассматривая внимательно граммофонную пластинку, ты, конечно, видел на ней зигзагообразную бороздку, идущую по спирали. Эта бороздка — «рисунок» звука, записанного на пластинке. При проигрывании пластинки кончик иглы звукоснимателя, следуя за всеми извилинами бороздки, колеблет якорь, поток магнитных силовых линий в нем изменяется, и в катушке возбуждается переменное напряжение звуковой частоты. При самых громких записанных звуках оно не превышает 100–150 мВ. Но если это напряжение усилить, то электродинамическая головка, включенная на выходе усилителя, громко воспроизводит звук, записанный на грампластинке.

Рассмотри условное графическое обозначение этого звукоснимателя на схемах. Его контур в виде «утюжка» — символическое изображение всех преобразующих головок, т. е. приборов, с помощью которых считывают или записывают звук на грампластинке или магнитной ленте магнитофона. Черточка в левой нижней части — «игла» и стрелка, идущая в сторону выводов, превратили его в символ акустической головки воспроизведения — звукосниматель. А упрощенный символ катушки с сердечником говорит о том, что звукосниматель магнитный.

Механизм пьезоэлектрического монофонического звукоснимателя в упрощенном виде покатан на рис. 155, а. Его основой является пьезоэлектрический элемент 4 — пластина из специальной керамики, обладающей пьезоэлектрическими свойствами: создает электрические заряды при изгибании пьезоэлемента.

Пьезоэлемент через поводок 3 соединен с иглодержателем 2. При проигрывании грампластинки игла 1, скользя по извилинам звуковой канавки, колеблется, а пьезоэлемент изгибается из стороны в сторону. При этом на поверхностях пьезоэлемента возникают электрические заряды, которые через выводные проводники 5 могут быть поданы на вход усилителя, а после усиления преобразованы в звук.

Пьезоэлектрический способ преобразования механических колебаний иглы в электрический сигнал обозначают внутри «утюжка» вытянутым прямоугольником, символизирующим пластину керамики, с двумя черточками, изображающими ее обкладки.

Пьезоэлемент звукоснимателя можно рассматривать как конденсатор, на обкладках которого при проигрывании грампластинки создается переменное напряжение звуковой частоты. Внутреннее сопротивление такого источника сигнала исчисляется мегаомами, что требует особого подхода к согласованию его с входным сопротивлением у сил теля.

Пьезоэлектрические звукосниматели развивают напряжение звуковой частоты до 200–300 мВ. Они проще по конструкции, чем магнитные звукосниматели, и легче. Их иглодержатели пластмассовые, а закрепленные в них иглы — корундовые. Вместе с изношенными иглами иглодержатели легко заменяются новыми. Обычно иглодержатель пьезоэлектрического звукоснимателя имеет две иглы, расположенные под углом по отношению друг к другу. Одна из них рассчитана для проигрывания обычных, другая — долгоиграющих грампластинок. Смена иглы для проигрывания той или иной грампластинки происходит поворотом иглодержателя.

Конструктивное оформление звукоснимателей разнообразно. Чаще всего их магнитные или пьезоэлектрические головки монтируют в пластмассовых или металлических держателях, называемых тонармами. Одна из возможных конструкций тонарма с пьезоэлектрической головкой звукоснимателя для проигрывания монофонических грампластинок показана на рис. 155, б.

С устройством и принципом работы стереофонической головки звукоснимателя я познакомлю тебя в беседе, посвященной стереофонии.

Рис. 155. Устройство (а) и внешний вид (б) пьезоэлектрического звукоснимателя

Электромагнитный телефон, подключенный к выходу детекторного или однотранзисторного приемника, излучает энергию звуковых колебаний. В нем роль непосредственного, т. е. прямого излучателя выполняет вибрирующая мембрана. Первыми мощными излучателями звуковой энергии были электромагнитные громкоговорители типа «Рекорд». Сейчас их, похожих на большие неглубокие черные тарелки, можно увидеть лишь в музеях или в кинофильмах. Им на смену пришли более мощные излучатели звуковой энергии — электродинамические головки с бумажными диффузорами, которые прежде называли электродинамическими громкоговорителями, или, сокращенно, динамиками. Сейчас их принято называть головками динамическими прямого излучения, а, громкоговорителем — совокупность всех выходных элементов звуковоспроизводящего устройства.

Примером звуковоспроизводящего устройства может быть, например, абонентский громкоговоритель, рассчитанный на работу от радиотрансляционной сети. В него, кроме головки динамической прямого усиления, входят еще ящик (корпус), имеющий немаловажное значение для качества звуковоспроизведения, согласующий (переходный) трансформатор и регулятор громкости.

Громкоговорители стереофонической аппаратуры радиотехнических комплексов могут иметь по две-три и более головок динамических прямого излучения, усилители с питающими их выпрямителями, различные регуляторы, переключатели.

Теперь, разобравшись в принятой терминологии, касающейся звуковоспроизводящих устройств, поговорим об устройстве и работе головок динамических прямого излучения. Для краткости будем называть их динамическими головками или просто головками. В динамических головках широкого применения излучателями звуковых волн служат конусообразные диффузоры, штампуемые из бумажной массы. Головки, предназначенные для радиофикации улиц, площадей, парков имеют, как правило, металлические рупоры.

Устройство динамической головки, применяемой в приемно-усилительной аппаратуре, показано на рис. 156.

Рис. 156. Устройство и графическое обозначение головки динамической прямого излучения

Электромагнитный механизм головки устроен так же, как механизм электродинамического микрофона. Между центральным стержнем кольцевого магнита 7 — керном 1 и фланцем 2 — накладкой магнита с круглым отверстием в центре имеется зазор, в котором создается сильное магнитное поле. В этом зазоре находится катушка. 6, намотанная на бумажном каркасе, скрепленном с вершиной бумажного диффузора 3. Ее называют звуковой катушкой. При помощи центрирующей шайбы 5, приклеенной на стыке каркаса звуковой катушки с диффузором, звуковая катушка устанавливается точно в середине магнитного зазора. Благодаря гофрам центрирующей шайбы звуковая катушка может колебаться в магнитном поле, не задевая ни за керн, ни за фланец магнита.

Края диффузора тоже гофрированы, что придает ему подвижность, и приклеены к ободу металлического корпуса 4. Выводы звуковой катушки сделаны изолированным многожильным проводом и снабжены контактными лепестками, укрепленными с помощью изоляционной пластинки на корпусе.

Действует головка так. Пока через звуковую катушку ток не идет, она покоится в середине магнитного зазора. Когда в катушке появляется ток, вокруг нее возникает магнитное поле, которое взаимодействует с полем магнита. При одном направлении тока в катушке она выталкивается из зазора, а при другом — втягивается в него. При пропускании через катушку переменного тока звуковой частоты катушка колеблется в зазоре с частотой тока. Вместе с катушкой колеблется и диффузор, создавая в воздухе звуковые волны.

Динамические головки различаются размерами, формой диффузора, конструкцией магнитной системы. Многие головки широкого применения имеют круглые диффузоры (рис. 157, а) диаметром примерно от 60 до 300 мм. Самые маленькие из них (рис. 157, б) используются главным образом в малогабаритных («карманных») транзисторных приемниках. Есть головки с эллиптическими (овальными) диффузорами (рис. 157, в). Такая форма диффузора не улучшает качества звуковоспроизведения, а лишь создает некоторое удобство размещения головки в приемнике, телевизоре, магнитофоне или другом звуковоспроизводящем устройстве.

Рис. 157. Головки динамические прямого излучения

Магнит может иметь не только кольцеобразную форму, но и квадратную, рамочную.

Ты можешь встретить устаревшую электродинамическую) головку с подмагничиванием. Она не имеет постоянного магнита. На керн такой головки надета катушка, содержащая несколько тысяч витков. Ее называют катушкой подмагничивания или возбуждения. Питается она от выпрямителя. Когда через нее идет постоянный ток, образуется электромагнит, создающий в кольцевом зазоре, где находится звуковая катушка, магнитное поле. В остальном головка с подмагничиванием ничем не отличается от головки с постоянным магнитом. Головки с подмагничиванием выпускались только для сетевых приемников и усилителей.

Динамические головки маркируют цифрами и буквами, например 0,1ГД-6, 1ГД-3, ЗГД-1. Первая цифра характеризует номинальную мощность головки, выраженную в ваттах или, что, по существу, то же самое, в вольт-амперах, т. е. произведением переменного напряжения звуковой частоты, подводимого к звуковой катушке, на ток, протекающий через катушку. Буквы ГД — первоначальные буквы слов «головка динамическая». Следующая за ними цифра — условный порядковый номер конструкции.

Номинальная мощность — это наибольшая мощность тока звуковой частоты, которую можно подводить к звуковой катушке, не опасаясь, что головка будет искажать звуки или быстро испортится. Это наиболее важный параметр, характеризующий головку. Но не путай его с громкостью звучания, т. е. с амплитудой звуковых колебаний. Если взять две головки с номинальными мощностями 1 и 3 Вт, подать к каждой из них по 1 Вт мощности тока звуковой частоты, то звучать они будут практически одинаково громко. Вторая из них будет звучать громче первой только в том случае, если она будет получать ту мощность, на которую рассчитана. Это обстоятельство ты должен учитывать, подбирая головки для своих конструкций.

Второй важный параметр динамической головки — номинальный диапазон рабочих частот, т. е. показатель диапазона звуковых частот, которые головка равномерно и без заметных искажений воспроизводит. Границы этой полосы частот выражают в герцах, например 315-7000 Гц. Головка с такой характеристикой хорошо воспроизводит звуковые частоты от 315 до 7000 Гц и плохо или совсем не реагирует на более низкие (до 315 Гц) и более высокие (выше 7000 Гц) колебания звуковой частоты. Чем шире диапазон рабочих частот, тем головка лучше.

Малогабаритные динамические головки, имеющие диффузоры небольших размеров, в этом отношении всегда уступают головкам с большими диффузорами. Номинальный диапазон рабочих частот головки 0,1ГД-6, например 450-3150 Гц, а головки 4ГД-35-от 63 до 12500 Гц. Частотная характеристика первой головки по сравнению с характеристикой второй хуже. Но нельзя сказать, что она плохая. Для малогабаритного транзисторного приемника, к которому предъявляются более низкие требования, она подходит лучше, чем вторая, предназначенная для приемника или усилителя 3Ч с более высокими требованиями к качеству звуковоспроизведения.

Эти и некоторые другие параметры динамических головок обычно указывают в паспортах. Они есть и в приложении 11, помещенном в конце книги. При внимательном рассмотрении четвертой колонки этого приложения ты заметишь, что только у некоторых типов головок (0,05ГД-1, 0,1ГД-9) звуковые катушки обладают сопротивлением 60 Ом. Эта головки разрабатывались специально для маломощных малогабаритных транзисторных приемников. Их звуковые катушки, намотанные сравнительно тонким проводом и содержащие большее число витков, чем другие, можно включать непосредственно в коллекторную цепь транзистора-усилителя без каких-либо промежуточных деталей.

Звуковые катушки подавляющего большинства головок, предназначенных для абонентских громкоговорителей, радиоприемников, телевизоров, радиол, содержат небольшое число витков, намотанных проводом диаметром 0,15-0,2 мм, поэтому их сопротивление мало: всего 4-10 Ом. Рассчитаны они на напряжение звуковой частоты порядка нескольких вольт, но при значительных токах. Звуковые катушки таких головок включают в коллекторные цепи транзисторов или в анодные цепи радиоламп не непосредственно, а через трансформаторы или иные согласующие цепи. Трансформаторы согласуют напряжения и токи усилительных приборов с напряжениями и токами головок. Понижая напряжение до нескольких вольт, они позволяют звуковым катушкам потреблять токи до нескольких ампер.

Согласующие трансформаторы, используемые в приемниках и усилителях 3Ч, ставят в цепи выходных, т. е. оконечных, мощных усилительных приборов, поэтому их принято называть выходными трансформаторами.

Примером подключения звуковой катушки динамической головки к выходному каскаду усилителя может служить схема, изображенная на рис. 158.

Рис. 158. Схема включения динамической головки в коллекторную цепь транзистора выходного каскада усилителя 3Ч

Выходной трансформатор Т первичной обмотки I включен в коллекторную цепь транзистора V. Колебания звуковой частоты» усиленные транзистором, возбуждают во вторичной обмотке II такие же колебания, но более низкого, чем в коллекторной цепи, напряжения, которые подаются на звуковую катушку головки В и преобразуются в звуковые колебания.

Параллельно первичной обмотке выходного трансформатора подключают конденсатор, улучшающий работу усилителя.

Неотъемлемой частью головки абонентского громкоговорителя является понижающий трансформатор. Он согласует напряжение радиотрансляционной линии с напряжением, обеспечивающим нормальную работу головки. Абонентские громкоговорители, кроме того, снабжают регуляторами громкости.

Один из абонентских громкоговорителей и его схема показаны на рис. 159.

Рис. 159. Абонентский громкоговоритель и его схема

Регулятор громкости — переменный резистор R — в этом громкоговорителе включен последовательно со звуковой катушкой динамической головки В. Чем меньше сопротивление введенной части резистора, тем звук громче.

Первичные обмотки трансформаторов абонентских громкоговорителей рассчитаны на напряжения звуковой частоты 30 или 15 В. Есть громкоговорители, рассчитанные на оба этих напряжения. Переключение с одного напряжения на другое достигается перепайкой одного из проводов шнура на выводах первичной обмотки трансформатора. Следует отметить, что эти напряжения громкоговорители получают от радиотрансляционной сети при наиболее громкой передаче. Уменьшение громкости снижает ток, потребляемый громкоговорителем, но напряжение радиосети, конечно, остается прежним.

Абонентские громкоговорители можно иногда использовать для простых транзисторных или ламповых приемников или усилителей 3Ч.

Обращаться с динамическими головками надо очень осторожно, чтобы не попортить звуковую катушку или диффузор. Головка с порванным диффузором, даже если он заклеен, работает хуже, с искажением звука. А если звуковая катушка окажется оборванной, что можно обнаружить с помощью омметра, ремонт ее без специального оборудования практически невозможен. Но такое случается крайне редко. Чаще происходят обрывы входных проводников звуковой катушки из-за непрерывных колебаний диффузора. Такую неисправность нетрудно обнаружить и устранить сращиванием или заменой оборванного проводника.

Качество звуковоспроизведения головкой во многом зависит от акустического оформления, то есть конструкции ящика или футляра, в котором она установлена. Для большей части радиовещательных приемников, телевизоров, монофонических радиол и магнитофонов акустическим оформлением служат сами футляры такой аппаратуры. Применяют также выносные акустические системы, называемые в обиходе громкоговорителями или звуковыми колонками, головки, которые размещены в ящиках или на акустических экранах в виде деревянных щитов. Об одной из конструкций самодельного громкоговорителя я расскажу тебе в двенадцатой беседе.

Но выносной громкоговоритель может быть готовым, приобретенным в магазине радиотоваров. Например, ЗАС-1, 10МАС-1, 15АС-404, «Электроника 25АС-227». Цифры в начале маркировки громкоговорителей указывают их номинальные мощности, а буквы АС — начальные слов «акустическая система». В «Электронике 25АС-227» три головки: низкочастотная 25ГД-42, среднечастотная 15ГД-11 и высокочастотная с магнитной системой особой конструкции (так называемая изодинамическая) головка 10ГИ-1. Головки такого громкоговорителя, предназначенного для совместной работы с усилительной аппаратурой высшего класса, обеспечивают номинальный диапазон воспроизводимых частот от 31,5 до 31500 Гц.

Подобные громкоговорители особенно необходимы для стереофонического звуковоспроизведения.

* * *