top of page
Датчики и микрофоны
ЧТО ТАКОЕ ПРИЁМНИКИ ЗВУКА?
Приёемники звука - это акустические приборы для восприятия звуковых сигналов и преобразования их с целью измерения, передачи, воспроизведения, записи или анализа. Наиболее распространены П. з., преобразующие акустич. сигналы в электрические (см. Электроакустический преобразователь). К ним относятся применяемые в воздухе микрофоны, в воде гидрофоны, в грунте геофоны. Важнейшие хар-ки таких П. з. чувствительность - отношение электрич. сигнала к акустическому (напр., отношение амплитуды электрич. напряжения к амплитуде звукового давления) частотная хар-ка (зависимость чувствительности от частоты) собственное электрич. сопротивление направленность.
Существует несколько методов и множество различных приборов для измерения интенсивности ультразвука. В настоящее время применяются механические методы (основанные на измерении колебательной скорости частиц среды, переменного звуко-врго давления или давления излучения), калориметрические методы, термические методы (основанные на измерении электрического сопротивления тонкой проволоки, нагреваемой в звуковом поле), электрические приемники звука (пьезоэлектрические приемники, конденсаторные микрофоны) и другие методы и установки.
ЧТО ТАКОЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МОЩНОСТИ (ТЕЛЕФОНОВ, РАЦИИ ИЛИ РАДИО) И ЗВУКОМЕТРИЯ (СМ. ТАКЖЕ ТЕЛЕМЕТРИЯ)? Звукометрия (также звуковая разведка) — способ определения местонахождения объекта по создаваемому им звуку. Особо широко применяется в военном деле для выявления расположения артиллерийских батарей противника и ведения контрбатарейной стрельбы.
ЧТО ТАКОЕ АКТИВНЫЙ ФИЛЬТР (СМ. ТАКЖЕ ЭЛЕКТРОННАЯ БУМАГА)
Первыми гетеродинами служили машинные электрогенераторы, потом их заменили генераторы на вакуумных лампах.
К 40-м годам приёмники прямого преобразования были вытеснены супергетеродинами и приёмниками прямого усиления. Обуславливалось это тем, что основное усиление и селекция приёмника прямого преобразования осуществлялось на низкой частоте. Построить на лампах усилитель с высокой чувствительностью и малым коэффициентом шума затруднительно. Возрождение приёмников прямого преобразования началось в 60-х годах с применением новой элементной базы -операционных усилителей, транзисторов. Стало возможным применение высокодобротных активных фильтров на операционных усилителях. Оказалось что при сравнительной простоте приёмники прямого преобразования показывают характеристики, сравнимые с супергетеродинами. Кроме того, так как частота гетеродина приёмников прямого преобразования может быть в два раза ниже частоты сигнала (при определенных типах смесителя), их удобно применять для приёма сигналов КВЧ и СВЧ. Особый интерес приёмники прямого преобразования вызвали среди радиолюбителей-коротковолновиков, так как этот принцип позволяет даже начинающему с минимальными затратами времени и средств построить приёмник, пригодный для работы в эфире. В СССР основная заслуга в повторной популяризации техники прямого преобразования принадлежит В. Т. Полякову. С момента первых его публикаций по этой теме (середина 1970-х гг.) приёмник прямого преобразования на трех-пяти транзисторах стал типичной первой конструкцией начинающего коротковолновика.
ТЕХНИКА ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И ВЛАДИМИР ТИМОФЕЕВИЧ ПОЛЯКОВ (СМ. ТАКЖЕ СКБ "МОЛНИЯ", ОДЕССА) Доцент кафедры физики Московского ордена Ленина института инженеров геодезии, аэрофотосъемки и картографии, кандидат технических наук, родился в 1940 году. Уже в девять лет собрал свою первую радиоконструкцию - детекторный приемник, а в двенадцать - ламповый усилитель. Учась в старших классах, освоил супергетеродинный приемник, смонтировал телевизор. Затем - учеба в Московском физико-техническом институте, увлечение магнитной записью, работа на коллективной радиостанции, постройка личной радиостанции. Его позывной RA3AAE сегодня известен радиоспортсменам всех континентов. Он - автор 10 изобретений, 100 публикаций, в том числе нескольких книг.
ТИПЫ МИКРОФОНОВ ПО ПРИНЦИПУ ДЕЙСТВИЯ
* Динамический микрофон
o Катушечный
o Ленточный микрофон
* Конденсаторный микрофон
o Электретный микрофон
* Угольный микрофон (порошковый)
* Пьезомикрофон
* Оптоакустический микрофон (несущей является свет)
Сравнительные характеристики основных типов микрофонов (устаревшие данные из «БСЭ» 1967 год):
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВИДОВ МИКРОФОНОВ
* Студийный микрофон
* Сценический микрофон
* Измерительный микрофон («искусственное ухо»)
* Микрофонный капсюль для телефонных аппаратов
* Микрофон для применения в радиогарнитурах
* Микрофон для скрытого ношения
* Ларингофон
* Гидрофон
ПАРАМЕТРЫ ХАРАКТЕРИСТИК (СМ. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ "СОГЛАСОВАТЕЛЯ ИМПЕНДАНСА")
1. Чувствительность...
2. Амплитудно-частотная характеристика...
3. Акустическая характеристика микрофона...
4. Характеристика направленности...
5. Уровень собственных шумов микрофона...
ГЕОФОН (В ГРУНТЕ), ГИДРОФОНЫ (В ВОДЕ) И МИКРОФОНЫ (В ВОЗДУХЕ) В 1846 году ирландский инженером Роберт Маллет.
Впервые сейсмический эффект от мощного взрыва, вызванный распространением упругих волн в выветрелых гранитах, был зафиксирован 1846 году. Для обнаружения колебаний, создаваемых упругими волнами, Маллет применял сейсмоскоп, представляющий
Однако применяемый им сейсмоскоп был недостаточно точен и чувствителен для решения геологоразведочных задач. Определенные Маллетом скорости сейсмических волн оказались сильно заниженными по сравнению с ожидаемыми значениями.
В условиях невесомости истинное ускорение объекта вызывается лишь гравитационной силой и потому в точности равно гравитационному ускорению. Таким образом, кажущееся ускорение отсутствует и показания любого акселерометра равны нулю. Все системы, использующие акселерометр как датчик наклона, прекращают функционировать. Например, планшетный компьютер не изменяет положение изображения при повороте корпуса.
П-ОБРАЗНЫЕ КОМПЕНСАТОРЫ
Многие задают вопрос, а кому нужна эти коплексы, когда интенсивно развиваются средства воздушной беспилотной разведки?
Некоторые отвечают, что: вычислительные мощности для беспилотника не нужны, а нужна чувствительность и фильтрация по углам (см. понятие П-образные компенсаторы), вычислительных мощностей которых хватит и у телефона.
.jpg)
ИСТОРИЯ МИКРОФОНОВ И АЛЕКСАНДР ИВАНОВИЧ ЯКОВЛЕВ Почему микрофоны называют высокочувствительными датчиками, а не записывающими?
Современные микрофоны - это высокотехнологичные устройства с невероятными электрическими и частотными характеристиками. Есть проводные и без проводные, с регулятором уровня и без него. Однако общая конструктивная черта у всех у них практически идентична, причем за последние почти 100 лет она не претерпела особых изменений. Рассмотрим историю создания этого электронного прибора.
Вначале наибольшее распространение получил угольный микрофон Эдисона, об изобретении которого также независимо заявляли Генрих Махальский в 1878 году и Павел Голубицкий в 1883 году. Угольный микрофон до сих пор используется в аппаратах аналоговой телефонии. Действие его основывается на изменении сопротивления между зёрнами угольного порошка при изменении давления на их совокупность.
Конденсаторный микрофон был изобретён инженером Bell Labs Эдуардом Венте (Edward Christopher Wente) в 1916 году. В нём звук воздействует на тонкую металлическую мембрану, изменяя расстояние между мембраной и металлическим корпусом. Тем самым образуемый мембраной и корпусом конденсатор меняет ёмкость. Если подвести к пластинам постоянное напряжение, изменение ёмкости вызовет ток через конденсатор, тем самым образуя электрический сигнал во внешней цепи.
Более массовыми стали динамические микрофоны, отличающиеся от угольных гораздо лучшей линейностью характеристик и хорошими частотными свойствами, а от конденсаторных — более приемлемыми электрическими свойствами. Первым динамическим микрофоном стал изобретённый в 1924 году немецкими учёными Эрлахом (Gerwin Erlach) и Шоттки электродинамический микрофон ленточного типа. Они расположили в магнитном поле гофрированную ленточку из очень тонкой (около 2 мкм) алюминиевой фольги. Такие микрофоны до сих пор применяются в студийной звукозаписи благодаря чрезвычайно широким частотным характеристикам, однако их чувствительность невелика, выходное сопротивление очень мало (доли ома), что значительно осложняет проектирование усилителей. Кроме того, достаточная чувствительность достижима только при значительной площади ленточки (а значит, и размерах магнита), в результате такие микрофоны имеют бо?льшие размеры и массу по сравнению со всеми остальными типами.
Еще через год в 1925 году уже российские ученые Сергей Николаевич Ржевкин и Александр Иванович Яковлев создают пьезоэлектрический микрофон, в котором для преобразования давления воздуха в электрический сигнал использовался пьезоэлектрик. Работа в качестве датчика давления позволила создать первые гидрофоны и записать сверхнизкочастотные звуки, характерные для морских обитателей. То есть на основе такой конструкции позже бил создан гидрофон - микрофон, записывающий звуки под водой.
В 1931 году американские инженеры Венте и Тёрэс (Albert L. Thuras) изобрели динамический микрофон с катушкой, приклеенной к тонкой мембране из полистирола или фольги. В отличие от ленточного, он имел существенно более высокое выходное сопротивление (десятки ом и сотни килоом), мог быть изготовлен в меньших размерах и является обратимым. Совершенствование характеристик именно этих микрофонов, в сочетании с совершенствованием звукоусилительной и звукозаписывающей аппаратуры, позволило развиться индустрии звукозаписи не только в студийных условиях. Создание малых по размеру (даже несмотря на массу постоянного магнита, необходимого для работы микрофона), а также чрезвычайно чувствительных и узконаправленных динамических микрофонов в заметной степени изменило представление о приватности и породило ряд изменений в законодательстве (в частности, о применении подслушивающих устройств).
Тогда же разработанные электромагнитные микрофоны, в отличие от электродинамических, имеют закреплённый на мембране постоянный магнит и неподвижную катушку. Благодаря отсутствию жёстких требований к массе катушки (характерном для динамических микрофонов) такие микрофоны делались высокоомными, а также порой имели многоотводные катушки, что делало их более универсальными. Такие микрофоны, наряду с пьезоэлектрическими, позволили создать эффективные слуховые аппараты, а также ларингофоны.
Электретный микрофон, изобретённый японским учёным Ёгути в начале 1920-х годов, по принципу действия и конструкции близок к конденсаторному, однако в качестве неподвижной обкладки конденсатора и источника постоянного напряжения выступает пластина из электрета. Долгое время такие микрофоны были относительно дороги, а их очень высокое выходное сопротивление (как и конденсаторных, единицы мегаом и выше) заставляло применять исключительно ламповые схемы. Создание полевых транзисторов привело к появлению чрезвычайно эффективных, миниатюрных и лёгких электретных микрофонов, совмещённых с собранным в том же корпусе предусилителем на полевом транзисторе.
ТИПЫ ПОДКЛЮЧЕНИЯ
Большинство микрофонов подключается к звуковому оборудованию посредством кабеля. Кабели могут быть либо неразъёмными, либо разъёмными. Последние применяются чаще всего. Долгие годы во время выступления на сцене, конференциях и т.п. применялись именно проводные микрофоны, т.к. они неприхотливы и просты в эксплуатации. Профессиональные микрофоны имеют трёхпроводное балансное подключение (разъёмы XLR) для снижения наводок и помех. Для работы конденсаторных микрофонов звуковое оборудование должно иметь режим фантомного питания.
Также существуют более сложные устройства — радиомикрофоны (беспроводные микрофоны, радиосистемы), — которые составляют конкуренцию проводным микрофонам, хотя и не вытесняют их совсем (они также применяются для выступления на сцене, на конференциях...). Внутри такого микрофона находится радиопередатчик, передающий по радио звуки на расположенный поблизости радиоприёмник (ресивер) через внутреннюю антенну (у некоторых беспроводных микрофонов также встречается внешняя антенна; у ресивера обязательно имеется внешняя антенна). Рабочая частота ресивера строго соответствует рабочей частоте передатчика микрофона (рабочая частота измеряется в мегагерцах (МГц, MHz) и может достигать нескольких сотен единиц — это УКВ-радиосвязь (или FM; иногда в техническом описании указано «FM wireless microphone»)). Приёмник подключается к звуковому оборудованию посредством кабеля, сам же питается от электросети.
Главное удобство радиомикрофонов в том, что они в отличие от проводных имеют хотя и ограниченную (это ведь не мобильный телефон!), но большую свободу передвижения. Недостаток — относительно частая разрядка элементов питания (аккумуляторов)[4].
Радиомикрофоны бывают как бытового, так и профессионального уровня. Бытовые обычно работают по принципу «plug and play» («включи и работай») и имеют только настройки выходной громкости. У радиосистем профессиональных серий на ресивере и самом микрофоне можно установить желаемые настройки сигнала для каждого конкретного микрофона, что позволяет одному ресиверу обслуживать иногда сразу 10 и более радиомикрофонов, кроме того, качество сигнала и передаваемых звуков у них гораздо выше, нежели у бытовых, поэтому профессиональные радиомикрофоны так хорошо себя зарекомендовали на концертах. Также бывают цифровые микрофонные радиосистемы из тех же профессиональных серий.
Наиболее известными производителями профессиональных радиомикрофонов являются Sennheiser (Германия) и Shure (США)[источник не указан 294 дня].
На фото для примера показан радиомикрофон «Nady DKW-Duo». Когда в концерте участвует несколько радиомикрофонов, то для цветовой маркировки их обычно перематывают изолентой (как на фото), поскольку они идентичны по виду (если одного типа и серии)[5].
КОНДЕНСАТОРНЫЙ МИКРОФОН
Конденсаторный микрофон — микрофон, действие которого основано на использовании свойств электрического конденсатора. Изобретён в 1916 году инженером Bell Labs Эдуардом Венте (Edward Christopher Wente), используется в основном в студийной звукозаписи.
Представляет собой конденсатор, одна из обкладок которого выполнена из эластичного материала (обычно — полимерная плёнка с нанесённой металлизацией). При звуковых колебаниях вибрации эластичной обкладки изменяют ёмкость конденсатора. Если конденсатор заряжен, то изменение ёмкости конденсатора приводит к возникновению токов заряда, которые и являются полезным сигналом, поступающим с микрофона на усилитель. Для работы такого микрофона между обкладками должно быть приложено поляризующее напряжение, 50-60 вольт в более старых микрофонах, а в моделях после 1960—1970-х годов — 48 вольт. Такое напряжение питания считается стандартом, именно с таким фантомным питанием выпускаются предусилители и звуковые карты. Конденсаторный микрофон имеет очень высокое выходное сопротивление. В связи с этим, в непосредственной близости к микрофону (внутри его корпуса) располагают предусилитель с высоким (порядка 1 ГОм) входным сопротивлением, выполненный на электронной лампе или полевом транзисторе. Как правило, напряжение для поляризации и питания предусилителя подаётся по сигнальным проводам (фантомное питание).
Конденсаторные микрофоны обладают весьма равномерной амплитудно-частотной характеристикой и обеспечивают высококачественный захват звука, в связи с чем широко используются в студиях звукозаписи, на радио и телевидении. Недостатками их являются высокая стоимость, необходимость во внешнем питании и высокая чувствительность к ударам и климатическим воздействиям — влажности воздуха и перепадам температуры, что не позволяет использовать их в полевых условиях.
ФАНТОМНОЕ ПИТАНИЕ И РЕЗИСТОРЫ Фантомное питание — одновременная передача по одним проводам питания постоянного тока и информационных сигналов.
В звукозаписи.
Чаще всего используется при подключении конденсаторных микрофонов.
Источники фантомного питания часто встроены в микшерные пульты, микрофонные предусилители и подобное оборудование. В традиционных конденсаторных микрофонах фантомное питание используется не только для питания схемы микрофона, но и для поляризации. Микрофоны, требующие фантомного питания, сегодня чаще всего подключаются при помощи разъёма XLR.
Преимущество такой схемы состоит в экономии меди, но на практике есть некоторые сложности.
В компьютерных сетях.
Подачу электрического питания устройствам, подключаемым к сетям Ethernet (IP-видеокамеры, точки доступа, IP-телефоны и др.) описывает стандарт IEEE 802.3af.
В охранной технике.
Цифровые двухконтактные электронные ключи ibutton с протоколом 1-Wire, которые получили широкое распространение в домофонах.
Пожарная сигнализация.
Токопотребляющие извещатели могут питаться по шлейфу. Для безадресных извещателей передача сигнала о пожаре передается увеличением токопотребления. Адресные извещатели передают кодированный сигнал по тому же шлейфу, по которому получают питание.
В активных антеннах эфирного телевещания.
Коаксиальным кабелем соединены принимающая антенна и приёмник (телевизор). Сигнал от антенны достигает приёмника, одновременно с тем, как питание малошумящего усилителя, вмонтированого в антенну, подаётся со стороны приёмника.
В кабельном телевидении.
Фантомное питание по магистральному кабелю применяется для дистанционного резервного питания магистральных и субмагистральных усилителей.
В измерительной технике.
Широко распространено фантомное питание различных датчиков. Встречаются датчики с выходом по напряжению, но наиболее распространена аналоговая токовая петля. При этом датчик потребляет от прибора ток, изменяющийся в диапазоне от 4 мА до 20 мА в зависимости от величины сигнала.
ЭЛЕКТРЕТННЫЙ МИКРОФОН По принципу действия электретный микрофон является одной из разновидностей конденсаторных микрофонов, но в отличие от стандартных конденсаторных микрофонов (использующихся как правило только в студийных условиях), широко применяется в бытовой электронике за счёт низкой цены и пригодности к эксплуатации в полевых условиях.
Электретный микрофон — микрофон с принципом действия, сходным с микрофонами конденсаторного типа, использующий в качестве неподвижной обкладки конденсатора и источника постоянного напряжения пластину из электрета. Используется способность этих материалов сохранять поверхностный заряд в течение длительного времени.
ИСТОРИЯ ЭЛЕКТРЕТНЫХ МИКРОФОНОВ Изобретён японским учёным Ёгути в начале 1920-х годов. Первое время микрофоны электретного типа были сравнительно дороги, а их очень высокое выходное сопротивление (в единицы мегаом и выше) заставляло применять для реализации исключительно ламповые схемы. Создание полевых транзисторов привело к появлению чрезвычайно эффективных и компактных электретных микрофонов, совмещённых с собранным в том же корпусе предусилителем на полевом транзисторе, и с 1970-х годов электретные микрофоны стали активно использоваться в бытовой технике и широком спектре приложений.
Принцип действия гомоэлектретного микрофона:
Тонкая плёнка из гомоэлектрета помещается в зазор конденсаторного микрофона либо наносится на одну из обкладок. Это приводит к появлению некоторого постоянного заряда конденсатора. При изменении ёмкости, вследствие смещения мембраны, на конденсаторе появляется изменение напряжения, соответствующее акустическому сигналу.
В самой конструкции современного микрофона предусмотрен предусилитель, поэтому необходимо соблюдать полярность подключения и обеспечить питанием транзистор предусилителя. Это достигается подачей на микрофон фантомного питания. Например, некоторые звуковые карты предусматривают фантомное питание во входах для микрофонов. Некоторые модели электретных микрофонов снабжаются собственным автономным источником питания (аккумуляторы или батарейки).
Принцип действия гетероэлектретного микрофона:
В таком микрофоне сама гетероэлектретная плёнка служит мембраной. При её деформации на её поверхностях возникают разноимённые заряды, которые можно зарегистрировать, расположив электроды непосредственно на поверхности плёнки (на поверхность напыляют тонкий слой металла (алюминий, золото, серебро и т. п.).
Типичная схема предусилителя на встроенном полевом транзисторе. Внешнее напряжение питания подаётся на U+; отделённая конденсатором переменная составляющая сигнала снимается с «Output»; резистор устанавливает режим работы транзистора и выходной импеданс.
В отличие от динамических микрофонов, имеющих низкое электрическое сопротивление катушки (~50 Ом ? 1 кОм), электретный микрофон имеет чрезвычайно высокий импеданс (имеющий емкостный характер, конденсатор ёмкостью порядка десятков пФ), что вынуждает подключать их к усилителям с высоким входным сопротивлением. В конструкцию практически всех электретных микрофонов входит предусилитель («преобразователь сопротивления», «согласователь импеданса») на полевых транзисторах, реже на миниатюрных радиолампах, с входным сопротивлением порядка 1 ГОм и выходным сопротивлением в сотни Ом, находящийся в непосредственной близости от капсюля. Поэтому, несмотря на отсутствие необходимости в поляризующем напряжении, такие микрофоны требуют внешний источник электропитания.
ГИДРОФОН Гидрофон (от греч. hydro - «вода» и phone - «звук») - прибор для приема звука и ультразвука под водой, специализированный микрофон. Применяется в гидроакустике как для прослушивания подводных звуков, так и для измерительных целей. Некоторые гидрофоны способны не только принимать, но и передавать звук.
Первые гидрофоны не были электрическими и представляли собой колоколообразную трубу, закрытую с широкой стороны мембраной и опущенную в воду на глубину нескольких метров. Гидрофон был применен впервые в 1887 году во французском флоте, эффективное расстояние использования составляло тогда всего 800 метров.
Большинство современных гидрофонов основаны на пьезоэлектрическом эффекте, существуют также магнитострикционные гидрофоны, и гидрофоны, работающие как обычный микрофон (с изоляцией мембраны от непосредственного контакта с водой).
ЛАЗЕРНЫЙ ГИДРОФОН ИЛИ АЛЬТЕРАНТИВНАЯ ТЕОРИЯ: "УЗКОЕ ВЧ-ЗВУЧАНИЕ" - "начиная" с 1кГц, а лучше - ...4...12...24 кГц? В 2005 г. В Тихоокеанском океанологическом институте им. В. И. Ильичева ДВО РАН на основе интерферометра Майкельсона неравноплечего типа и источника света – частотно-стабилизированного лазера ЛГН-303 разработан и создан лазерный измеритель вариаций давления гидросферы. Прибор позволяет измерять вариации гидросферного давления с точностью 57 мкПа в частотном диапазоне от 0 до 1000 Гц при погружении до 500 м. Лазерный измеритель давления гидросферы имеет ряд недостатков: большие геометрические размеры(диметр и высота контейнера 35 и 100 см); недостаточную автономность(потребляемая мощность 40 Вт при переменном напряжении питания 220 В); немалая стоимость прибора, значительную часть которой составляет цена частотно-стабилизированного газового лазера.
В случае применения полупроводникового лазера некоторые из указанных недостатков удается устранить, несколько уменьшив точность определяемых вариаций давления. В 2006 г. был разработан лазерный гидрофон такого типа. В его оптической схеме представлен равноплечий интерферометр Майкельсона. Чувствительным элементом лазерного гидрофона является круглая мембрана, закрепленная на краях.
Схема установки «Лазерный гидрофон». 1 – герметичный корпус, 2 – мембрана с зеркальным напылением, 3 –отсечное стекло , 4 – линза, 5 – полупроводниковый лазер, 6 – полупрозрачная делительная пластина, 7 – фотодиод, 8 – дополнительное зеркало, 9 – пьезокерамика раскачки, 10 – пьезокерамика компенсации.
В установке используется лазерный диод с частотной стабильностью до четвертого знака. Нестабильность частоты лазера связана с отно-сительным смещением центра мембраны выражением , где - оптическая разность хода в плечах интерферометра. При уравнивании длин плеч интерферометра до 0.1 мм точность измерения смещения центра мембраны с учетом указанной стабильности частоты полупроводникового лазера составит 10 нм. Такое смещение центра мембраны диаметром 100 мм толщиной 0.1 мм может быть вызвано изменением внешнего давления на 15мПа. Прибор позволяет измерять вариации гидросферного давления с точностью 15 мПа в частотном диапазоне от 0 до 1000 Гц при погружении до 500 м.
ЭЛЕКТРЕТ (СМ. ТАКЖЕ СОЛИТОНЫ И Т.Д.) Электрет — диэлектрик, длительное время сохраняющий поляризованное состояние после снятия внешнего воздействия, которое привело к поляризации (или заряжению) этого диэлектрика, и создающий в окружающем пространстве квазипостоянное электрическое поле.
Большое количество используемых материалов, методов внешнего воздействия, технологических приемов для создания поляризованного состояния в диэлектриках обуславливают многообразие проявления электретного эффекта в них.
Современные представления об электретном эффекте основаны на двух типах зарядов в диэлектриках — гетеро- и гомозаряде.
Гетерозаряд обусловлен электрической поляризацией в объёме диэлектриков вследствие ориентации диполей, ионной (или электронной) поляризации, а также смещением пространственного заряда. В этом случае отрицательный заряд электрета сосредотачивается у анода, положительный у катода, и возникающее электрическое поле противоположно по направлению полю поляризации.
Гомозаряд обусловлен инжекцией из электродов в диэлектрик носителей зарядов и локализацией их на центрах захвата или рекомбинации электронов и дырок (энергетических ловушках) различной природы. В этом случае у катода располагается связанный отрицательный, а у анода — связанный положительный заряд, и результирующее образующееся поле имеет то же направление, что и поляризующее. Вышеупомянутые ловушки представляют собой энергетические уровни захвата инжектированных носителей заряда в запрещенной зоне диэлектрика или полупроводника.
Существует несколько способов изготовления электретов. Большинство из них основано на том, что диэлектрик помещают в электрическое поле и подвергают дополнительному физическому воздействию, которое уменьшает время релаксации диполей либо ускоряет процесс миграции заряженных частиц. В зависимости от вида физического воздействия различают термо-, электро-, фото-, магнито-, радиоэлектреты и др. Электретное состояние может возникать и без приложения к диэлектрику внешнего электрического поля, например, от механической деформации (механоэлектреты), при заряжении диэлектрика в поле коронного разряда (короноэлектреты), при нагревании полимеров в контакте с электродами из разнородных металлов (металлополимерные электреты), при электризации трением (трибоэлектреты), под воздействием плазмы тлеющего разряда. Электретный эффект присущ сегнетоэлектрикам (сегнетоэлектреты), тканям живого организма (биоэлектреты). При фиксировании ориентированных в электрическом поле диполей и смещенных ионов химическим путем, например, вулканизацией, получают хемоэлектреты.
Важнейшей характеристикой электретов, определяемой экспериментально, является эффективная поверхностная плотность зарядов (?эф, Кл/м2), равная разности между гомо- и гетерозарядами. Другим параметром, характеризующим свойства электретов, является время релаксации зарядов ?р (время уменьшения заряда в e раз). Временем жизни электрета ?ж называется промежуток времени, в течение которого материал сохраняет электретные характеристики. У различных полимеров ?ж составляет 3 — 10 лет.
Существует несколько традиционных областей применения электретов. Они применяются в качестве элементов:
* преобразователей механических, тепловых, акустических (микрофонах), оптических, радиационных и др. сигналов в электрические (в импульсы тока),
* запоминающих устройств,
* электродвигателей,
* генераторов;
* фильтров и мембран;
* противокоррозионных конструкций;
* узлов трения;
* систем герметизации;
* медицинских аппликаторов, антитромбогенных имплантатов
ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ДАТЧИКИ (МИКРОФОНЫ) И ВАДИМ ВЛАДИМИРОВИЧ МАКСИМЕНКО (СКБ "МОЛНИЯ", ОДЕССА, УКРАИНА) Принцип работы микрофона заключается в том, что давление звуковых колебаний воздуха, воды или твёрдого вещества действует на тонкую мембрану микрофона. В свою очередь, колебания мембраны возбуждают электрические колебания; в зависимости от типа микрофона для этого используются явление электромагнитной индукции, изменение ёмкости конденсаторов или пьезоэлектрический эффект. Свойства акустико-механической системы сильно зависят от того, воздействует ли звуковое давление на одну сторону диафрагмы (микрофон давления) или на обе стороны, а во втором случае от того, симметрично ли это воздействие (микрофон градиента давления) или на одну из сторон диафрагмы действуют колебания, непосредственно возбуждающие её, а на вторую - прошедшие через какое-либо механическое или акустическое сопротивление или систему задержки времени (асимметричный микрофон градиента давления). Большое влияние на характеристики микрофона оказывает его механоэлектрическая часть.
Электрическая структурная схема предлагаемого пеленгатора включает в частности звукоприемники: каждый из которых включает в себя конденсаторный или электретный микрофон, предварительный усилитель микрофонного сигнала, фильтр нижних частот (ФНЧ) и источник постоянного тока, помещенные в куполообразный ветрозащитный корпус, в верхней части которого вмонтирован шаровой уровень, позволяющий устанавливать рабочие оси микрофонов вертикально (это обеспечивает круговую НХН их в горизонтальной плоскости).
При этом решаются следующие задачи: принимают акустические сигналы и помехи из окружающего пространства; преобразуют их в электрические сигналы (ЭС) и помехи; выделяют эти сигналы из указанной смеси сигналов и помех; ослабляют влияние ветровых помех, предотвращают попадание влаги к их устройствам и передают сигналы, а также помехи, амплитудный спектр которых одинаков с амплитудно-частотной характеристикой ФНЧ, в резонансные усилители (РУ).
Звукоприемники фронтальный и тыловой по своему составу аналогичны остальным, но корпус у них одинаков с корпусом ЗП.
bottom of page