Физические принципы преобразования

Рассмотрим физический смысл и принципиальное значение коэффициента электромеханической связи.

В ЭП используют два физических явления. Первое - это силовое воздействие на заряды в электрическом поле, второе - это силовое воздействие на электрический ток в магнитном поле. Отсюда возникли четыре основных направления в разработке ЭП.

Электродинамический преобразователь. Принцип действия таких преобразователей, наиболее часто встречающихся на практике, основывается на использовании закона индукции. Переменные магнитные поля индуцируют в электрических проводниках напряжение, кроме того, с магнитными полями связано возникновение электродинамических сил. На рис. 2 показана принципиальная схема электродинамического преобразователя.Рис. 2. Электродинамический преобразователь

Его работа заключается в следующем. Очень легкая катушка 3, через которую протекает ток, помещается в зазор между полюсами постоянного магнита2. Одно целое с катушкой составляет жесткая мембрана4, укрепленная на упругой подвеске1. Магнитная индукция в зазоре постоянного магнита равнаBQ, и если черезlвыражается длина провода на катушке, то приложенная к катушке сила, согласно закону Био-Савара, равна

F₀ =B₀ l I. (1.6)

Эта сила приводит в движение катушку и мембрану. На этом принципе основана работа электродинамического громкоговорителя (Гр).

С другой стороны, если находящийся в магнитном поле проводник будет приведен в движение со скоростью v, то в нем возникнет ЭДС

E₀ =B₀ lv. (1.7)

На этом принципе основана работа электродинамического микрофона.

Из выражений (1.6) и (1.7) с учетом (1.3) можно определить коэффициент К для электродинамических преобразователей

K = B₀l (1.8)

Электростатический преобразователь. Принцип действия электростатических преобразователей основан на использовании закона Кулона о взаимном притяжении двух зарядов.

Для конденсатора, один электрод которого выполнен в виде диафрагмы (рис. 3) и подключен к источнику постоянного напряжения U, при колебании диафрагмы с переменной скоростьюvбудет создаваться переменная ЭДС

(1.9)

где d - расстояние между обкладками конденсатора при ω = 0; ω - частота колебаний. Это связано с тем, что при измененииd (за счетv) меняется емкость конденсатора

(1.10)

где ε₀- электрическая постоянная;S - площадь обкладок, а следовательно, и его заряд

q=CU₀, (1.11)

что вызывает появление переменного тока. На этом принципе основано функционирование конденсаторного микрофона.

Рис. 3. Преобразователь электростатического типа: 1 - диафрагма; 2 - неподвижный электрод; 3 - изоляция

Работа конденсаторного Гр основана на том, что при протекании тока I, вызываемого приложенным к нему переменным напряжениемU << U₀ , действует переменная сила

(1.12)

Учитывая выражения (1.3), (1.9) и (1.12), можно определить коэффициент электромеханической связи для элекфостатических преобразователей

(1.13)

В этом случае коэффициент К зависит от частоты передаваемых колебаний, что следует учитывать при конструировании преобразователей.

Аналогичным образом функционирует элекгретный микрофон. Он подобен конденсаторному, но разность потенциалов на обкладках конденсатора обеспечивается не внешним источником, а электрическим зарядом мембраны или неподвижного электрода, материалы которых отличаются тем, что способны сохранять этот заряд длительное время.

Рис. 4. Электромагнитный преобразователь при работе: а - на прием; б - на излучение

Электромагнитный преобразователь. В преобразователе этого вида использовано изменение магнитного потока магнита при изменении магнитного сопротивления или изменение силы притяжения якоря при изменении потока. Если мембрану1 из ферромагнитного материала приближать или удалять от постоянного магнита2со скоростьюv(рис. 4), т. е. изменять величину магнитного потокаВ,протекающего через сердечники катушек3, то в них будет индуцироваться переменная ЭДС

E₀=B₀L_kv/n, (1.14)

где B₀- индукция в магнитной цепи (в отсутствие колебаний);п - число витков в катушке;L_kиндуктивность катушки. Такие преобразователи применяют в наушниках телефонных аппаратов, микрофонах и звукоснимателях механических систем записи звука.

С другой стороны, если к катушкам приложить переменное напряжение U, создающее в них токI, то при условииВ < В₀на мембрану будет действовать переменная сила

F₀=B₀L_kI/n.(1.15)

Ввиду двух последних выражений электромеханический преобразователь электромагнитного типа имеет коэффициент электромеханической связи

(1.16)

Пьезоэлектрический преобразователь. Преобразователи этого типа основаны на использовании пьезоэлектрического эффекта, согласно которому на поверхности кристаллов, имеющих две разновидности атомов, возникают заряды, если к ним приложить механические силы, и возникают силы при воздействии на них электрических зарядов. Такими материалами, например, являются кварц, сегнетовая соль, титанат бария. Механизм возникновения заряда на поверхности в результате деформации кристалла показан на рис. 5. При сжатии кристалла и деформации поверхности со скоростьюvна ней появляется переменная ЭДС

(1.17)

где е, h - длина и толщина пластины соответственно;kQ - коэффициент пьезоэффекта. Это прямой пьезоэффект, который используется в микрофонах.

Рис. 5. Механизм возникновения заряда на поверхности пьезоэлектрика

Если этот же материал поместить в переменное электрическое поле, т. е. подключить на электроды U, вызывающее токI, то пластины будут испытывать переменную силу

(1.18)

Этот обратный пьезоэффект используется в излучателях. Для этих преобразователей коэффициент электромеханической связи

(1.19)