Пьезоэлектрические микрофоны. Пьезоэлектрический микрофон


Необычные микрофоны - Субботний джем

В прошлом посте я обещал рассказать о некоторых необычных типах микрофонов и подробнее рассказать о характеристиках микрофонов. Сегодня поговорим о необычных микрофонах:Лазерный микрофон

Очень любопытная штуковина. Такие микрофоны применяются достаточно давно, причем в основном разведкой (да-да, КГБшный гаджет:). Как он работает:
Лазер испускает луч, падающий на стекло в окне, за которым проводятся некие секретные переговоры (либо на стену, но со стеной такой микрофон не очень хорошо работает). Стекло вибрирует от акустических волн, создаваемых переговорщиками, и луч, отразившись от стекла, возвращается в приемник. Естественно, в силу вибрации, падающий луч и отраженный различны, отраженный луч периодически чуть запаздывает и опережает исходный (в зависимости от фазы и амплитуды колебаний стекла). Затем сигнал с приемника обрабатывается и преобразуется в звук. Естественно, используются инфракрасные лазеры, а не лазеры, излучающие в видимом диапазоне (красная точка на стекле наверняка насторожит переговорщиков:).Такие микрофоны в студийной звукозаписи не используются, думаю, понятно - почему).

Пьезоэлектрический микрофон

Гитаристы наверняка опознали картинку – да, это пьезоэлектрический звукосниматель, что, впрочем, то же самое, что и пьезоэлектрический микрофон. Как он работает:
Акустические волны заставляют колебаться тонкую пластинку (диафрагму), соединенную с пьезоэлектрическим кристаллом. У такого кристалла имеется любопытное свойство: он поляризуется под воздействием давления (картинка справа наглядно раскрывает суть эффекта). Такие колебания напряжения, возникшие в результате периодического сжатия кристалла, и позволяют получать полезный сигнал с микрофона.

Пьезоэлектрические микрофоны обладают довольно плохой чувствительностью, поэтому их необходимо размещать как можно ближе к источнику звука, в идеале – вплотную. И поэтому, а также в силу своих маленьких размеров, они часто используются для снятия звука прямо с корпуса музыкального инструмента. Из-за сильно неровной АЧХ пьезоэлектрические звукосниматели редко используются в качестве основного источника звукового сигнала, чаще такие микрофоны используются для «подкрашивания» сигнала, снятого с динамического или конденсаторного микрофона.

Оптический микрофон

Относительно новая разработка, пока еще не получившая должного распространения. В чем суть: Луч света от лазерного источника направляется по оптоволокну и освещает мембрану микрофона. При колебаниях мембраны световой поток модулируется (по интенсивности) и идет по второму оптоволокну на фотодиод, который преобразует сигнал в переменный ток (на рисунке, кстати, изображен метод контроля бокового смещения светового пятна, сейчас такой метод более перспективен). При таком принципе не используется преобразование колебаний мембраны непосредственно в электрический сигнал как в обычных микрофонах.Оптические микрофоны в основном используются в промышленности и медицине, хотя, я думаю, и в звукозаписи они еще свое слово скажут, ведь инерция мембраны ничтожна, поэтому точность передачи звука высочайшая, АЧХ такого микрофона на диво ровная, и диапазон поражает шириной (шутка ли, от 0,5 Гц начинается, такого ни один из предыдущих типов микрофонов не передаст).Итак, с типами микрофонов разобрались, в следующих статьях начнем, наконец-то, ими пользоваться) До следующего вторника!

saturdayjam.livejournal.com

Пьезоэлектрические микрофоны

Принцип действия этих микрофонов основан на возникновении электродвижущей силы на поверхностях пластинок из пьезоматериала. Пластины связаны с мембраной, которая возбуждается звуковыми колебаниями. Пьезоэлектрические микрофоны отличаются простотой конструкции, дешевизной и высокой чувствительностью. Их недостатки - высокое внутреннее сопротивление емкостного характера, значительную неравномерность частотной характеристики, недостаточную эксплуатационную надежность. Номинальное сопротивление нагрузки 3-5 Мом.

Телефоны (1 час)

Телефон это устройство, где происходит преобразование электромагнитных колебаний в звуковые. По конструкции и принципу действия телефоны бывают различных типов: электромагнитного, электродинамического, конденсаторного, пьезоэлектрического.

Работа электромагнитных телефонов основана на взаимодействии магнитных потоков, создаваемых постоянным магнитом и электромагнитом телефона, воздействующих на мембрану телефона. Основными частями ЭМ-телефона являются мембрана М, электромагнит, содержащий две полюсные надставки ПН с обмотками О, постоянный магнит ПМ. Все детали помещены в пластмассовый корпус, закрытый крышками с отверстиями. Мембрана удерживается силой постоянного магнита и дополнительно зажимается по краю крышкой.

N S

Рис. 8. Устройство электромагнитного телефона

В обмотке О протекает разговорный переменный ток. В зависимости от направления этого тока, создаваемый им переменный магнитный поток либо увеличивает начальную силу притяжения мембраны, либо уменьшает ее. В результате возникают колебания мембраны с амплитудой Ам, что приводит к возникновению звуковых колебаний. Так происходит преобразование телефоном электрических колебаний в звуковые. Постоянный магнит позволяет повышать чувствительность телефона и снижать нелинейные искажения. Без постоянного магнита мембрана притягивается к якорю электромагнита как при положительной так и при отрицательной полуволнах тока. Это удваивает частоту ее колебаний в сравнении с частотой проходящего по обмоткам телефона тока. Следовательно удваивается частота передаваемой речи, что приводит к потере естественности голоса при телефонной передаче. Кроме того, амплитуда колебаний мембраны в этом случае незначительна и акустический эффект был бы минимален. Постоянный магнит обеспечивает преобразование электрических колебаний в звуковые с частотой, соответствующей частоте тока, протекающего по обмоткам телефона. При этом минимальные допустимые нелинейные искажениях составляют 2-3%, и достигается максимальный акустический эффект.

Телефоны с дифференциальной электромагнитной системой

В таком телефоне сила, действующая на мембрану, является разностью сил, каждая из которых создается постоянным магнитом и электромагнитом. В результате взаимодействия сил мембрана колеблется только с частотой тока, протекающего в обмотках электромагнита. При этом практически отсутствуют нелинейные искажения, чувствительность телефонов значительно выше. Применяются такие телефоны в спецсвязи, так как конструктивно они сложнее.

studfiles.net

Пьезоэлектрический микрофон

 

Использование: в электроакустике. Сущность изобретения: пьезоэлектрический микрофон содержит чувствительный элемент, упругий элемент, основание, прилегающее к поверхности чувствительного элемента. Чувствительный элемент выполнен из пьезокомпозиционного материала со связностью 3 - 3, одна из фаз которого является газообразной средой, основание контактирует с одной из плоскостей чувствительного элемента, а упругий элемент выполнен в виде прилегающей к остальной поверхности чувствительного элемента оболочки из диэлектрического материала, причем толщина d части оболочки, контактирующей с боковой поверхностью чувствительного элемента, удовлетворяет соотношению: где Ek - модуль Юнга пьезокерамики; Em - модуль Юнга материала оболочки; Sk - площадь сечения чувствительного элемента плоскостью, перпендикулярной направлению поляризации; Lk - параметр сечения чувствительного элемента плоскостью, перпендикулярной направлению поляризации. 4 ил.

Изобретение относится к электроакустическим преобразователям, а именно к микрофонам, предназначенным для комплектации бытовой аппаратуры.

В настоящее время бытовая аппаратура комплектуется в основном электродинамическими микрофонами с неравномерностью амплитудно-частотной характеристики 12-20 дБ, что существенно превышает неравномерность амплитудно-частотной характеристики конденсаторных микрофонов (4-8 дБ). Однако широкого применения в бытовой технике конденсаторные микрофоны не нашли из-за сложности конструкции, высокой стоимости, необходимости использования высоковольтного напряжения. Известен пьезоэлектрический микрофон, выбранный в качестве прототипа, содержащий чувствительный элемент, упругий элемент и основание (Акустика. Справочник. М., "Радио и связь", 1989, с. 69-70). Наличие механической связи между упругим элементом и участком чувствительного элемента существенно повышает неравномерность амплитудно-частотной характеристики микрофона и не позволяет использовать его в бытовой аппаратуре, хотя он не требует высоковольтного питания и имеет низкую стоимость. Изобретение направлено на создание пьезоэлектрического микрофона с удовлетворительной равномерностью амплитудно-частотной характеристики, что позволяет использовать его в бытовой технике, а также при сохранении его характеристик, на обеспечение надежного крепления в бытовой аппаратуре, например в микрофоне или телефоне. Данная цель достигается за счет того, что чувствительный элемент выполнен из пьезокомпозиционного материала со связностью 3-3, одна из фаз которого является газообразной средой, основание контактирует с одной из плоскостей чувствительного элемента, а упругий элемент выполнен в виде прилегающей к остальной части поверхности чувствительного элемента оболочки из диэлектрического материала, причем толщина d части оболочки, контактирующей с боковой поверхностью чувствительного элемента, удовлетворяет соотношению: d кSк/ЕмLк, где Ек - модуль Юнга пьезокерамики; Ем - модуль Юнга материала оболочки; Sк - площадь сечения чувствительного элемента плоскостью, перпендикулярной направлению поляризации; Lк - периметр сечения чувствительного элемента плоскостью, перпендикулярной направлению поляризации. В прототипе наличие механической связи между упругим элементом и участком чувствительного элемента приводит к механическим резонансам, обуславливающим существенную неравномерность амплитудно-частотной характеристики независимо от конструкции чувствительного элемента и материала, из которого он сделан. Преобразовать эту связь в известной конструкции не представляется возможным, поскольку ее вид определяется формой взаимодействия упругого элемента с чувствительным элементом. Давление, воспринимаемое упругим элементом, передается на чувствительный элемент, в результате чего он деформируется в направлении поляризации, а на его электродах появляется заряд. Наличие упругого элемента в виде прилегающей оболочки исключает проникновение звуковой волны внутрь пор чувствительного элемента и тем самым исключает компенсацию заряда зарядами, обусловленными поперечным пьезоэффектом. Так как газообразное наполнение пор чувствительного элемента обладает большой сжимаемостью, воздействие волны на боковую поверхность чувствительного элемента также не приводит к появлению компенсирующих зарядов. Толщина d части оболочки, прилегающей к боковой стенке чувствительного элемента, должна быть таковой, чтобы ее жесткость не увеличивала жесткость чувствительного элемента и не снижала тем самым его чувствительность. Выполнение основания прилегающим к остальной части поверхности чувствительного элемента позволяет при сохранении характеристик микрофона обеспечить его надежное крепление в бытовой аппаратуре. Введение в микрофон дополнительного чувствительного элемента, закрепленного на противоположной стороне основания и соединенного электрически параллельно с другим чувствительным элементом, причем положительные электроды чувствительных элементов соединяются между собой, позволяет сохранить характеристики микрофона при жестком креплении в бытовой аппаратуре и снизить его чувствительность к вибрации. При этом давление, воспринимаемое упругими элементами, передается на чувствительные элементы, в результате чего они деформируются в направлении поляризации, и на их электродах появляются заряды. Эти заряды при указанном способе соединения электродов складываются. При воздействии на основание микрофона вибрации на электродах чувствительных элементов также возникают заряды, знак которых зависит от направления поляризации чувствительных элементов. Поскольку в данной конструкции при указанном способе соединения электродов направления поляризации чувствительных элементов противоположны, эти заряды компенсируются. На фиг. 1-4 показан предложенный микрофон, вариант. Микрофон (фиг. 1) состоит из чувствительного элемента 1, упругого элемента 2, выполненного в виде прилегающей к части наружной поверхности чувствительного элемента оболочки, и основания 3, прилегающего к поверхности чувствительного элемента, перпендикулярной направлению поляризации. Второй вариант конструкции пьезоэлектрического микрофона (фиг. 2) состоит из чувствительного элемента 1, упругого элемента 2, выполненного в виде прилегающей к части наружной поверхности чувствительного элемента оболочки, и основания 3, прилегающего к поверхности чувствительного элемента, перпендикулярной направлению поляризации и к части поверхности оболочки, охватывающей боковые стенки чувствительного элемента. Третий вариант конструкции пьезоэлектрического микрофона (фиг. 3) состоит из закрепленных на противоположных сторонах основания и соединенных электрически параллельно чувствительных элементов 1, причем положительные электроды чувствительных элементов соединяются между собой, упругих элементов 2, выполненных в виде прилегающей к части наружной поверхности чувствительного элемента, и основания 3, прилегающего к поверхности чувствительных элементов, перпендикулярной направлению поляризации. Четвертый вариант конструкции пьезоэлектрического микрофона (фиг. 4) состоит из закрепленных на противоположных сторонах основания и соединенных электрически параллельно чувствительных элементов 1, причем положительные электроды чувствительных элементов соединяются между собой, упругих элементов 2, выполненных в виде прилегающей к части наружной поверхности чувствительного элемента оболочки и основания 3, прилегающего к поверхности чувствительных элементов, перпендикулярной направлению поляризации, и к части поверхности оболочек, охватывающих боковые стенки чувствительных элементов. Чувствительный элемент, состоящий из пьезокомпозиционного материала со связностью 3-3, реализован выжиганием органических наполнителей. Упругий элемент выполнен нанесением на чувствительный элемент виксинта. Сборка микрофона произведена в атмосфере (воздухе). При этом достигнута неравномерность амплитудно-частотной характеристики не более 4 дБ. Неравномерность амплитудно-частотной характеристики в вариантах конструкции микрофона на фиг. 2, 3, 4 также составила не более 4 дБ. В пьезоэлектрическом микрофоне, представленном на фиг. 1, звуковая волна воздействует на поверхность упругого элемента 2, который передает воздействие на всю поверхность чувствительного элемента 1, кроме поверхности, прилегающей к основанию 3. На эту поверхность через основание действует реакция опоры на передаваемое чувствительным элементом давление звуковой волны. Таким образом, чувствительный элемент испытывает всестороннее сжатие, и на нем возникает напряжение, пропорциональное давлению звуковой волны. В пьезоэлектрическом микрофоне, представленном на фиг. 2, звуковая волна воздействует на поверхность упругого элемента 2, перпендикулярную направлению поляризации, которая передает воздействие на поверхность чувствительного элемента 1. На его противоположную поверхность через основание 3 действует реакция опоры на передаваемое чувствительным элементом давление звуковой волны. При этом давление звуковой волны действует и на боковую поверхность упругого элемента, который, в свою очередь передает это давление на поверхность основания, прилегающую к поверхности упругого элемента. Со стороны основания упругий элемент передает на чувствительный элемент реакцию опоры. Таким образом, чувствительный элемент испытывает всестороннее сжатие, и на нем возникает напряжение, пропорциональное давлению звуковой волны. В пьезоэлектрическом микрофоне, представленном на фиг. 3, звуковая волна воздействует на поверхность упругих элементов 2, которые передают воздействие на всю поверхность чувствительных элементов 1, кроме поверхности, прилегающей к основанию 3. На эту поверхность через основание действует реакция опоры на передаваемые чувствительными элементами давление звуковой волны. Таким образом, чувствительные элементы испытывают всестороннее сжатие, и на них возникает напряжение, пропорциональное давлению звуковой волны. Заряды, соответствующие этому напряжению, при параллельном соединении электродов чувствительных элементов складываются, тогда как заряды, возникающие при вибрации микрофона, компенсируются, поскольку чувствительные элементы имеют противоположные направления поляризации. В пьезоэлектрическом микрофоне, представленном на фиг. 4, звуковая волна воздействует на поверхность упругих элементов 2, перпендикулярную направлению поляризации, которая передает воздействие на поверхность чувствительных элементов 1. На их противоположные поверхности через упругие элементы со стороны основания 3 действует реакция опоры на передаваемое чувствительными элементами давление звуковой волны. При этом давление звуковой волны действует на боковую поверхность упругих элементов, которые, в свою очередь, передают это давление на поверхность основания, прилегающую к поверхности упругих элементов. Со стороны основания упругие элементы передают на чувствительные элементы реакцию опоры. Таким образом, чувствительные элементы испытывают всестороннее сжатие, и на них возникает напряжение, пропорциональное давлению звуковой волны. Заряды, соответствующие этому напряжению при параллельном соединении электродов чувствительных элементов, складываются, тогда как заряды, возникающие при вибрации микрофона, компенсируются, поскольку чувствительные элементы имеют противоположные направления поляризации.

Формула изобретения

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МИКРОФОН, содержащий чувствительный элемент, упругий элемент и основание, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен из пьезокомпозиционного материала со связностью 3-3, одна из фаз которого является газообразной средой, основание контактирует с одной из плоскостей чувствительного элемента, а упругий элемент выполнен в виде оболочки из диэлектрического материала, прилегающей к остальной поверхности чувствительного элемента, причем толщина d части оболочки, контактирующей с боковой поверхностью чувствительного элемента удовлетворяет соотношению dSk/EmLk, где Ek - модуль Юнга пьезокерамики; Em - модуль Юнга материала оболочки; Sk - площадь сечения чувствительного элемента плоскостью, перпендикулярной направлению поляризации;Lk - периметр сечения чувствительного элемента плоскостью, перпендикулярной направлению поляризации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4

www.findpatent.ru

Пьезоэлектрический микрофон

 

М 5923

Класс 21 а, 8

ПАТЕНТ НА ИЗОБРЕТЕНИЕ

ОПИСАНИЕ пьезоэлектрического микрофона.

К патенту С. Н. Ржевкина и А. И. яковлева, заявленному

25 сентября 1926 года (заяв. свид. Ма 11478).

0 выдаче патента опубликовано 31 июля 1928 года. Действие патента распространяется на 15 лет от 31 июля 1928 года.

Предлагаемое изобретение предназна- j чается для использования в качестве микрофона и для определения периода собственных колебаний кристалла Сегнетовой соли, лежащих в диапазоне от 150 до 5 000 периодов в 1 секунду (кроме того, оно предназначается для исследо- вания пьезоэлектрических свойств у кри- сталлов и для телефона или громкогово- ( рителя).

На фиг. 1 чертежа изображен про. j дольный разрез предлагаемого пьезо- электрического микрофона, на фиг. 2:, и 3 — вид спереди и сверху части пьезоэлектрического микрофона и на фиг. 4— схема включения кристалла для опреде- ления его периода.

Принцип действия пьезоэлектрического микрофона из кристаллов Сегнето вой соли основан на пьезоэлектрическом эффекте, открытом в 1890 году Кюри..

К кристаллу k (фиг. 4) сверху приклеивается металлическая пластинка f, с рычажком д, расположенным перпен-! дикулярно к пластинке. Конец этого рычажка снабжен нарезкой с двумя, гаечками р, к средине кристалла при-", клеивается металлический поясок е„

K которому припаивается провод d. Низ кристалла приклеивается к металлической пластинке и, укрепленной на деревянной дощечке о. К пластинке г припаян также провод, который соединяется на-коротко с проводом с, идущим от пластинки 1: провода d и с выводятся под дощечкой к клеммам у, сидящим на эбонитовой дощечке j (фиг. 1 — 3). Кристалл 1с, укрепленный на дощечке о, прикрепляется к центру мембраны п1 (металлической пли из ватмана укрепленной в оправе l) гайками р. Сама дощечка о скрепляется с основанием х при посредстве скоб 11. и клемм т. навинченных на

003TI1EII s и приж1гмающих пластинки о.

Если говорить перед рупором «а, от звук пройдет через сетку i и попадет на мембрану т; в результате, она начнет колебаться и приведет в колеблющееся состояние кристалл 1а посредством скрепленного с ней рычажка д и пластинки f.

Вследствие этого на проводах с и а появится разность электрических потенциалов. Если провода с и 4 присоединить к вторичной обмотке сеточного трансформатора (фиг. 4), то по ней пойдет электрический ток. Телефон присоединяется к первичной обмотке трансформатора; в нем (протянув, например, провод через

2 — 3 комнаты, чтобы не было слышно речи непосредственно) слышна будет речь, произносимая перед рупором z пьезоэлектрического микрофона.

Для измерения собственной частоты исследуемый пьезоэлектрический кристалл укрепляется так же, как и кристалл пьезоэлектрического микрофона, описанного выше. Схема включения кристалла, для определения его периода., приведена на фиг. 4, Провод с от пластинок f n n и провод д от пояска е соединяются с вторичной обмоткой трансформатора.

Первичная обмотка трансформатора соединяется проводами а и Ь с генератором звуковой частоты с плавной настройкой i по высоте тона. Если включить генера- ( тор, то ток звуковой частоты поступит от генератора по проводам а и Ь к первичной обмотке трансформатора, и от вторичной по проводам с и д к кристаллу, который начнет колебаться с частотой подводимого r. нему тока. Кристалл приведет в движение мембрану, вследствие чего последняя издаст звук. Если менять частоту тока, идущего от генератора к кристаллу от 150 периодов в секунду до 5 000 периодов, то и звук, идущий от мембраны, приводимоИ в движение кристаллом, будет также меняться в указанном диапазоне. В это время, изменяя частоту тока, будет слышно, как звук при определенной частоте значительно усиливается. К этой частоте можно подходить с обеих сторон, от высоких частот и от низких. Небольшие изменения положения катушек генератора вызывают ясное для уха понижение силы звука. Поставив на максимальныИ звук частоту генератора, находят по графику, имеющемуся при генераторе, частоту тока, соответствующую этому положению генератора. Таким образом можно мерить собственные частоты кристаллов, лежащих в диапазоне от 150 до 5 000 периодов в секунду.

В этом диапазоне находятся собственные частоты кристаллов Сегнетовой соли с наиболее сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом.

Предмет патента.

1. Пьезоэлектрический микрофон с применением пьезоэлектрического кручения кристалла Сегнетовой соли, характеризующийся тем, что скрепленный с центром мембраны т рычаг д жестко связан с укрепленной на одной из торцовых поверхностей кристалла пластинкой f так, чтобы рычаг д был перпендикулярен к пластинке f и лежал в ее плоскости.

2. Применение пьезоэлектрического микрофона, охарактеризованного в и. 1, для определения периода собственных колебаний кристалла Сегнетовой соли, лежащих в диапазоне от 150 до 5 000 периодов в секунду, при помощи катодного генератора тока слуховой частоты.

К патенту С. Н. РЖЕВКИНН u R. И. ЯКОВЛЕВН

No 5923

Фиг.3

Типо-питография «Красный Печатнике, Ленинград, Международный, 7Б.

Пьезоэлектрический микрофон Пьезоэлектрический микрофон Пьезоэлектрический микрофон 

www.findpatent.ru

Пьезоэлектрические микрофоны

Рис. 12.4.Пьезоэлектрический микрофон

Для разработки простых мик­рофонов может использовать­ся пьезоэлектрический эффект. Пьезоэлектрический кристалл является прямым преобразова­телем механического напряже­ния в электрический заряд. Наиболее часто используемым материалом для изготовления датчиков является пьезоэлект­рическая керамика, которая может работать на очень высо­ких частотах. По этой причине пьезоэлектрические датчики применяются для пре­образования ультразвуковых волн (раздел 7.6 главы 7). Такие датчики также исполь­зуются и в звуковом диапазоне, пьезоэлектрические микрофоны часто можно встре­тить в разнообразной аудиоаппаратуре. Примерами применения пьезоэлектричес­ких акустических датчиков являются управляемые голосом устройства и аппараты для измерения кровяного давления. На рис. 12.4 показана схема простого микро­фона, подходящего для этих случаев. Он состоит из пьезоэлектрического керами­ческого диска с двумя электродами, нанесенными на него с двух сторон. Электро­ды соединяются с проводами либо при помощи токопроводящей эпоксидной смо­лы, либо методом пайки. Поскольку такие микрофоны обладают очень высоким выходным импедансом, они должны подключаться к усилителю с высоким вход­ным импедансом.

Пьезоэлектрические пленки из поливинилидена фторида (PVDF) и сополимеров

Рис. 12.5. Пьезоэлектрический звукоснима­тель складного типа (А), устройство гидро­фона на основе свернутых PVDF пленок

использовались в течение многих лет для производства звукоснимателей для музы­кальных инструментов [7]. Одним из пер­вых применений пьезопленок был звуко­сниматель для скрипки. Позже появились звукосниматели для акустических гитар. Пьезоэлектрические звукосниматели об­ладают очень высоким качеством воспро­изведения, что послужило тому, что на их базе были разработаны датчики вибраций и акселерометры. Поскольку PVDF име­ет очень низкую добротность, у таких пре­образователей нет авторезонанса, какуке-рамических звукоснимателей. На рис. 12.5А показана конструкция экраниро­ванного звукоснимателя. Чувствительным является электрод, расположенный на внутренней стороне складной структуры. Он имеет несколько меньшие

размеры, чем второй электрод, выполняющий роль экрана. Такой звукосниматель об­ладает лучшей чувствительностью, чем традиционные звукосниматели. Для построе­ния гидрофонов, работающих в воде, пленка может быть свернута в виде трубок, со­единенных параллельно (рис. 12.5Б).

Электретные микрофоны

Рис. 12.6. Структура электретного микрофона. Тол­щина слоев на рисунке значительно увеличена для облегчения понимания принципа действия этого устройства. [9]

Электретные материалы являются близкими родственниками пьезо- и пироэлек-триков. На самом деле все они являются электретными материалами с ярко выра­женными либо пьезоэлектри­ческими, либо пироэлектри­ческими свойствами. Электрет — это диэлектрический матери­ал кристаллической структуры с постоянной электрической поляризацией. Первое описа­ние применения электретных материалов для изготовления микрофонов и наушников дано в 1928 году [8]. Электретные микрофоны — это электроста­тические преобразователи, со­стоящие из металлизированной электретной диафрагмы и ме­таллической пластины, отде­ленных друг от друга воздуш­ным зазором (рис. 12.6)

Верхний слой металлизации и металлическая пластина соединены друг с дру­гом через резистор R. Напряжение на этом резисторе усиливается и используется в качестве выходного сигнала микрофона. Поскольку электрет является электри­чески поляризованным диэлектриком, плотность заряда на его поверхности о, является постоянной величиной. Этот заряд приводит к формированию в воз­душном зазоре электрического поля EvКогда акустическая волна ударяется о ди­афрагму, она отклоняется вниз, уменьшая воздушный зазор sxна величину As. От­клонение диафрагмы приводит к появлению на электродах напряжения:

(12.2)

Фазы изменения напряжения и отклонения диафрагмы совпадают. Если датчик обладает емкостью С, уравнение (12.2) изменится:

(12.3)

где f — частота звуковой волны.

Возвратные силы, действующие на мембрану, определяются упругостью возду­ха в зазоре, эффективная толщина которого равна s0, и механическим напряжени­ем мембраны Т. Считая величину потерь незначительной, зависимость перемеще­ния мембраны As от величины звукового давления Dр можно записать в виде [10]:

(12.4)

где g— удельная теплоемкость, r0— атмосферное давление, А — площадь диафраг­мы. Если считать, что чувствительность микрофона определяется выражением: dm=DV/Dp, ее значение в условиях резонанса можно найти из уравнения [9]:

(12.5)

Из последнего выражения видно, что чувствительность микрофона не зависит от площади диафрагмы. Если масса мембраны равна М, резонансная частота опре­деляется выражением:

(12.6)

Эта частота должна быть значительно выше верхней частоты рабочего диапазона микрофона.

Электретные микрофоны отличаются от других аналогичных устройств тем, что им для работы не требуется дополнительного источника постоянного напряже­ния. Тогда как при таких же размерах и чувствительности на емкостной микрофон необходимо подавать напряжение выше 100 В. Механическое напряжение диаф­рагмы обычно довольно маленькое (около 10 Н/м), поэтому возвратная сила опре­деляется, в основном, сжимаемостью воздушного зазора. Для изготовления диаф­рагмы иногда используют Teflon FEP (FEP — фторированный этилен пропилен). Температурная чувствительность электретных микрофонов составляет порядка 0.03 дБ/°С в диапазоне температур —10...+50°С [11].

Электретные микрофоны обладают рядом достоинств: они могут работать в широком частотном диапазоне от 10 3 Гц до сотен Мгц, у них плоская частотная характеристика (в пределах ± 1дБ), они обладают: низким уровнем нелинейных искажений, высокой виброустойчивостью, хорошей реакцией на импульсное воз­мущение и нечувствительностью к магнитным полям. Чувствительность элект­ретных микрофонов составляет порядка нескольких мВ/мкбар.

Для работы в инфразвуковом диапазоне в металлической пластине электрет­ных микрофонов проделываются отверстия для выравнивания давления. Также здесь часто требуется подача дополнительного напряжения смещения (как в ем­костном микрофоне) для усиления поляризации.

Электретные микрофоны обладают высоким импедансом, поэтому интерфей­сные схемы для работы с ними должны иметь высокий входной импеданс. До не­давнего времени на входе интерфейсных плат всегда стояли полевые транзисто-

ры. Теперь все большую популярность завоевывают монолитные усилители. При­мером таких усилителей служит LMV1014 (National Semiconductors), являющий­ся звуковым усилителем с очень низким потреблением тока (38 мкА), работаю­щий от небольшой батарейки напряжением 1.7...5 В.

studopedya.ru

Пьезоэлектрические MEMS-микрофоны значительно улучшат запись звука смартфонами

В рамках выставки MWC 2016 компании Infineon, AAC Technologies и стартап Vesper представили новое поколение микрофонов на основе микроэлектромеханических систем (MEMS) — пьезоэлектрические MEMS-микрофоны (в настоящее время распространены конденсаторные MEMS-микрофоны). Как водится, всё новое — это неоднократно проданное старое. Микрофоны на MEMS не являются чем-то новым. Главное их достоинство — это компактные размеры и возможность выпускать главные элементы микрофонов — MEMS-структуры — на полупроводниковых подложках подобно тому, как выпускаются традиционные микросхемы. Такие микрофоны в сборе представляют собой модули со сторонами два–три миллиметра. Это близкое к идеалу решение для установки в тонкие смартфоны. К сожалению, остаются потери в качестве записи звука, но более совершенные микрофоны попросту не поместятся в смартфон.

Пример MEMS-микрофона отдельно и в сборе (ADI)

Между тем новые модели мобильных устройств — смартфонов и планшетов — могут похвастаться прорывом в качестве записи видео, которое достигает разрешения 4K. Для полноты «картинки» микрофонам надо догонять в качестве записи. Новые микрофоны на матрицах MEMS с использованием в качестве фиксирующего звуковые волны элемента на базе пьезоэлектрика обещают наилучшее в индустрии соотношение сигнал/шум — на уровне 66 дБ, а также способность вести запись без искажений звука на уровне 135 дБ. Это выше болевого порога для человека, который установлен на отметке 130 дБ.

Пьезоэлектрические микрофоны тоже нельзя считать современным изобретением. Этому принципу записи много лет. Тем не менее в сочетании с матрицами MEMS — это прогрессивное решение. К другим несомненным достоинствам нового решения относится высокий уровень защиты от загрязнения и влаги. На стенде Vesper можно было увидеть пьезоэлектрический MEMS-микрофон, который не терял работоспособность даже при погружении в воду. Это тем более важно, так как вторая по числу негарантийных случаев поломка у смартфонов — это отказ микрофонов по причине загрязнения. Современные MEMS-микрофоны с конденсаторным элементом также подвержены этой напасти и требуют специальных мер для защиты.

Работа пьезоэлектрического MEMS-микрофона в ёмкости с водой (Vesper)

Наконец, особенности разработанной конструкции пьезоэлектрического MEMS-микрофона Vesper и компании Infineon позволяют с высокой точностью вести направленную запись. Это достигает как за счёт качеств самого микрофона, так и благодаря организации массива микрофонов. Кстати, для приложений с виртуальной реальностью точность позиционирования звука будет играть важную роль, поэтому пьезоэлектрические микрофоны могут прописаться в VR-системах.

Полупроводниковая пластина с MEMS-микрофонами (Infineon)

Производством пьезоэлектрических MEMS-микрофонов на уровне полупроводниковых пластин занимаются обе компании — Infineon (на своих заводах) и Vesper (на линиях компании GlobalFoundries). В то же время они не собираются выпускать готовые для установки в смартфоны модули. Компания Vesper поставляет пластины с MEMS-микрофонами гонконгской компании AAC Technologies, а та, в свою очередь, продаёт готовые микрофоны китайским клиентам и компании Apple. Немецкая Infineon поставляет пластины с MEMS-микрофонами компаниям AAC, Goertek, Hosiden и BSE. Отметим, у Infineon больше шансов захватить значительный кусок нового рынка, чем у кого-то другого.

Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.

3dnews.ru

пьезоэлектрический микрофон - патент РФ 2030121

Использование: в электроакустике. Сущность изобретения: пьезоэлектрический микрофон содержит чувствительный элемент, упругий элемент, основание, прилегающее к поверхности чувствительного элемента. Чувствительный элемент выполнен из пьезокомпозиционного материала со связностью 3 - 3, одна из фаз которого является газообразной средой, основание контактирует с одной из плоскостей чувствительного элемента, а упругий элемент выполнен в виде прилегающей к остальной поверхности чувствительного элемента оболочки из диэлектрического материала, причем толщина d части оболочки, контактирующей с боковой поверхностью чувствительного элемента, удовлетворяет соотношению: пьезоэлектрический микрофон, патент № 2030121 где Ek - модуль Юнга пьезокерамики; Em - модуль Юнга материала оболочки; Sk - площадь сечения чувствительного элемента плоскостью, перпендикулярной направлению поляризации; Lk - параметр сечения чувствительного элемента плоскостью, перпендикулярной направлению поляризации. 4 ил. Изобретение относится к электроакустическим преобразователям, а именно к микрофонам, предназначенным для комплектации бытовой аппаратуры. В настоящее время бытовая аппаратура комплектуется в основном электродинамическими микрофонами с неравномерностью амплитудно-частотной характеристики 12-20 дБ, что существенно превышает неравномерность амплитудно-частотной характеристики конденсаторных микрофонов (4-8 дБ). Однако широкого применения в бытовой технике конденсаторные микрофоны не нашли из-за сложности конструкции, высокой стоимости, необходимости использования высоковольтного напряжения. Известен пьезоэлектрический микрофон, выбранный в качестве прототипа, содержащий чувствительный элемент, упругий элемент и основание (Акустика. Справочник. М., "Радио и связь", 1989, с. 69-70). Наличие механической связи между упругим элементом и участком чувствительного элемента существенно повышает неравномерность амплитудно-частотной характеристики микрофона и не позволяет использовать его в бытовой аппаратуре, хотя он не требует высоковольтного питания и имеет низкую стоимость. Изобретение направлено на создание пьезоэлектрического микрофона с удовлетворительной равномерностью амплитудно-частотной характеристики, что позволяет использовать его в бытовой технике, а также при сохранении его характеристик, на обеспечение надежного крепления в бытовой аппаратуре, например в микрофоне или телефоне. Данная цель достигается за счет того, что чувствительный элемент выполнен из пьезокомпозиционного материала со связностью 3-3, одна из фаз которого является газообразной средой, основание контактирует с одной из плоскостей чувствительного элемента, а упругий элемент выполнен в виде прилегающей к остальной части поверхности чувствительного элемента оболочки из диэлектрического материала, причем толщина d части оболочки, контактирующей с боковой поверхностью чувствительного элемента, удовлетворяет соотношению: d кSк/ЕмLк, где Ек - модуль Юнга пьезокерамики; Ем - модуль Юнга материала оболочки; Sк - площадь сечения чувствительного элемента плоскостью, перпендикулярной направлению поляризации; Lк - периметр сечения чувствительного элемента плоскостью, перпендикулярной направлению поляризации. В прототипе наличие механической связи между упругим элементом и участком чувствительного элемента приводит к механическим резонансам, обуславливающим существенную неравномерность амплитудно-частотной характеристики независимо от конструкции чувствительного элемента и материала, из которого он сделан. Преобразовать эту связь в известной конструкции не представляется возможным, поскольку ее вид определяется формой взаимодействия упругого элемента с чувствительным элементом. Давление, воспринимаемое упругим элементом, передается на чувствительный элемент, в результате чего он деформируется в направлении поляризации, а на его электродах появляется заряд. Наличие упругого элемента в виде прилегающей оболочки исключает проникновение звуковой волны внутрь пор чувствительного элемента и тем самым исключает компенсацию заряда зарядами, обусловленными поперечным пьезоэффектом. Так как газообразное наполнение пор чувствительного элемента обладает большой сжимаемостью, воздействие волны на боковую поверхность чувствительного элемента также не приводит к появлению компенсирующих зарядов. Толщина d части оболочки, прилегающей к боковой стенке чувствительного элемента, должна быть таковой, чтобы ее жесткость не увеличивала жесткость чувствительного элемента и не снижала тем самым его чувствительность. Выполнение основания прилегающим к остальной части поверхности чувствительного элемента позволяет при сохранении характеристик микрофона обеспечить его надежное крепление в бытовой аппаратуре. Введение в микрофон дополнительного чувствительного элемента, закрепленного на противоположной стороне основания и соединенного электрически параллельно с другим чувствительным элементом, причем положительные электроды чувствительных элементов соединяются между собой, позволяет сохранить характеристики микрофона при жестком креплении в бытовой аппаратуре и снизить его чувствительность к вибрации. При этом давление, воспринимаемое упругими элементами, передается на чувствительные элементы, в результате чего они деформируются в направлении поляризации, и на их электродах появляются заряды. Эти заряды при указанном способе соединения электродов складываются. При воздействии на основание микрофона вибрации на электродах чувствительных элементов также возникают заряды, знак которых зависит от направления поляризации чувствительных элементов. Поскольку в данной конструкции при указанном способе соединения электродов направления поляризации чувствительных элементов противоположны, эти заряды компенсируются. На фиг. 1-4 показан предложенный микрофон, вариант. Микрофон (фиг. 1) состоит из чувствительного элемента 1, упругого элемента 2, выполненного в виде прилегающей к части наружной поверхности чувствительного элемента оболочки, и основания 3, прилегающего к поверхности чувствительного элемента, перпендикулярной направлению поляризации. Второй вариант конструкции пьезоэлектрического микрофона (фиг. 2) состоит из чувствительного элемента 1, упругого элемента 2, выполненного в виде прилегающей к части наружной поверхности чувствительного элемента оболочки, и основания 3, прилегающего к поверхности чувствительного элемента, перпендикулярной направлению поляризации и к части поверхности оболочки, охватывающей боковые стенки чувствительного элемента. Третий вариант конструкции пьезоэлектрического микрофона (фиг. 3) состоит из закрепленных на противоположных сторонах основания и соединенных электрически параллельно чувствительных элементов 1, причем положительные электроды чувствительных элементов соединяются между собой, упругих элементов 2, выполненных в виде прилегающей к части наружной поверхности чувствительного элемента, и основания 3, прилегающего к поверхности чувствительных элементов, перпендикулярной направлению поляризации. Четвертый вариант конструкции пьезоэлектрического микрофона (фиг. 4) состоит из закрепленных на противоположных сторонах основания и соединенных электрически параллельно чувствительных элементов 1, причем положительные электроды чувствительных элементов соединяются между собой, упругих элементов 2, выполненных в виде прилегающей к части наружной поверхности чувствительного элемента оболочки и основания 3, прилегающего к поверхности чувствительных элементов, перпендикулярной направлению поляризации, и к части поверхности оболочек, охватывающих боковые стенки чувствительных элементов. Чувствительный элемент, состоящий из пьезокомпозиционного материала со связностью 3-3, реализован выжиганием органических наполнителей. Упругий элемент выполнен нанесением на чувствительный элемент виксинта. Сборка микрофона произведена в атмосфере (воздухе). При этом достигнута неравномерность амплитудно-частотной характеристики не более 4 дБ. Неравномерность амплитудно-частотной характеристики в вариантах конструкции микрофона на фиг. 2, 3, 4 также составила не более 4 дБ. В пьезоэлектрическом микрофоне, представленном на фиг. 1, звуковая волна воздействует на поверхность упругого элемента 2, который передает воздействие на всю поверхность чувствительного элемента 1, кроме поверхности, прилегающей к основанию 3. На эту поверхность через основание действует реакция опоры на передаваемое чувствительным элементом давление звуковой волны. Таким образом, чувствительный элемент испытывает всестороннее сжатие, и на нем возникает напряжение, пропорциональное давлению звуковой волны. В пьезоэлектрическом микрофоне, представленном на фиг. 2, звуковая волна воздействует на поверхность упругого элемента 2, перпендикулярную направлению поляризации, которая передает воздействие на поверхность чувствительного элемента 1. На его противоположную поверхность через основание 3 действует реакция опоры на передаваемое чувствительным элементом давление звуковой волны. При этом давление звуковой волны действует и на боковую поверхность упругого элемента, который, в свою очередь передает это давление на поверхность основания, прилегающую к поверхности упругого элемента. Со стороны основания упругий элемент передает на чувствительный элемент реакцию опоры. Таким образом, чувствительный элемент испытывает всестороннее сжатие, и на нем возникает напряжение, пропорциональное давлению звуковой волны. В пьезоэлектрическом микрофоне, представленном на фиг. 3, звуковая волна воздействует на поверхность упругих элементов 2, которые передают воздействие на всю поверхность чувствительных элементов 1, кроме поверхности, прилегающей к основанию 3. На эту поверхность через основание действует реакция опоры на передаваемые чувствительными элементами давление звуковой волны. Таким образом, чувствительные элементы испытывают всестороннее сжатие, и на них возникает напряжение, пропорциональное давлению звуковой волны. Заряды, соответствующие этому напряжению, при параллельном соединении электродов чувствительных элементов складываются, тогда как заряды, возникающие при вибрации микрофона, компенсируются, поскольку чувствительные элементы имеют противоположные направления поляризации. В пьезоэлектрическом микрофоне, представленном на фиг. 4, звуковая волна воздействует на поверхность упругих элементов 2, перпендикулярную направлению поляризации, которая передает воздействие на поверхность чувствительных элементов 1. На их противоположные поверхности через упругие элементы со стороны основания 3 действует реакция опоры на передаваемое чувствительными элементами давление звуковой волны. При этом давление звуковой волны действует на боковую поверхность упругих элементов, которые, в свою очередь, передают это давление на поверхность основания, прилегающую к поверхности упругих элементов. Со стороны основания упругие элементы передают на чувствительные элементы реакцию опоры. Таким образом, чувствительные элементы испытывают всестороннее сжатие, и на них возникает напряжение, пропорциональное давлению звуковой волны. Заряды, соответствующие этому напряжению при параллельном соединении электродов чувствительных элементов, складываются, тогда как заряды, возникающие при вибрации микрофона, компенсируются, поскольку чувствительные элементы имеют противоположные направления поляризации.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МИКРОФОН, содержащий чувствительный элемент, упругий элемент и основание, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен из пьезокомпозиционного материала со связностью 3-3, одна из фаз которого является газообразной средой, основание контактирует с одной из плоскостей чувствительного элемента, а упругий элемент выполнен в виде оболочки из диэлектрического материала, прилегающей к остальной поверхности чувствительного элемента, причем толщина d части оболочки, контактирующей с боковой поверхностью чувствительного элемента удовлетворяет соотношению dSk/EmLk,где Ek - модуль Юнга пьезокерамики;Em - модуль Юнга материала оболочки;Sk - площадь сечения чувствительного элемента плоскостью, перпендикулярной направлению поляризации;Lk - периметр сечения чувствительного элемента плоскостью, перпендикулярной направлению поляризации.

www.freepatent.ru