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
(А)
(Б)
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.