4. Акустоэлектрические и электроакустические конверторы энергии сигналов. Основные соотношения электроакустического преобразователя

Представим обратимый ЭП структурной схемой (рис. 1), на вход которого (блок 1) подводится электрическая энергия. Она частично превращается в энергию механических колебаний подвижной системы (блок2), а затем в блоке3 происходит частичное превращение механической энергии в энергию звукового поля. Определение последней составляет задачу расчета режима излучения преобразователя. В режиме приема происходит преобразование энергий, проходящее те же этапы в обратном направлении.

Рис. 1. Структурная схема обратимого ЭП: 1 - электрическая; 2 - механическая; 3 - акустическая части

В преобразовании энергии участвуют описывающие ее четыре параметра. Для электрического поля основными параметрами, характеризующими энергию, являются напряжение Uи токI, а для акустического — силаF и колебательная скоростьv. Будем рассматривать преобразователь как своеобразный четырехполюсник с акустической и электрической сторонами (пунктир на рис. 1). Предполагается, что акустическая и электрическая энергии поступают в преобразователь, каждая со своей стороны.

Согласно общей теории обратимого линейного преобразователя, уравнения двустороннего электромеханического преобразования представляются следующими комплексными зависимостями между переменными величинами на входе и на выходе:

U = ZI + K₁v; F = zv + K₂I. (1.1)

Верхний знак относится к так называемым индуктивным, нижний - к емкостным преобразователям. В первых преобразователях движение вызывается электродинамическими силами взаимодействия токов и их магнитных полей, а токи создаются ЭДС, возбуждаемыми движениями магнитных полей или проводников. Во вторых преобразователях движение обусловлено электростатическими силами взаимодействия между заряженными телами, а разности потенциалов вызываются изменением относительного расположения заряженных тел. Будем анализировать чисто периодические процессы с круговой частотой ω = 2π f, что не ограничивает общности рассмотрения, так как все временные зависимости можно с помощью преобразования Фурье перевести в периодические процессы.

Обозначим Z=Z₀в выражении (1.1) как собственное электрическое сопротивление преобразователя при полностью заторможенном акустическом блоке (мембране) (v= 0), т. е. в режиме короткого акустического замыкания. Величинаz = z₀ - собственное механическое сопротивление преобразователя в отсутствии электрической нагрузки (I= 0), т. е. на холостом ходу. ВеличиныК_1,2-коэффициенты преобразования, которые и характеризуют устройство.

Для обратимого преобразователя

(1.2)

соответственно, при I = 0 иv= 0. У четырехполюсника, к которому применим принцип взаимности, коэффициентыК₁иК₂равны. Отсюда

(1.3)

Эта важная формула выражает теорему взаимности и описывается следующим образом. Если к электрической стороне преобразователя приложено напряжение, вызывающее на механической стороне скорость, а при действии на механическую сторону силы, вызывающей на электрической стороне ток, то имеет место равенство модулей отношений напряжения к скорости и силы к току.

В общем случае рассмотрения преобразователей это не верно, равенство соблюдается только по абсолютным значениям, в связи с чем их и называют "симметрично-мощностными" четырехполюсниками. Если К - величина чисто мнимая, то полностью применим принцип взаимности. КоэффициентKназываюткоэффициентом электромеханической связи.