Przetworniki elektroakustyczne - Trochę podstawowych informacji

W sumie nie istnieje coś takiego jak przetwornik elektroakustyczny czyli taki, który zamieniałby energię akustyczną bezpośrednio na elektryczną i odwrotnie. Zamiana tych energii może nastąpić jedynie za pośrednictwem energii mechanicznej (wyjątek stanowią tu przetworniki cieplne i jonowe, ale tych raczej nie spotkamy w życiu codziennym). Mamy więc do czynienia z przetwornikami: elektromechanicznymi, mechanoakustycznymi i, jeśli już, to elektro-mechano-akustycznymi.

Zamiana energii akustycznej na mechaniczną i odwrotnie dokonuje się w przetworniku mechanoakustycznym. Główną częścią takiego przetwornika jest bryła, np. membrana stanowiąca element sprzęgający część akustyczną i mechaniczną. Energia akustyczna skierowana na powierzchnię membrany (często za pomocą różnych elementów akustycznych jak rury, tuby itp.) zostaje zamieniona na energię mechaniczną drgań tejże membrany. Te drgania zostają przenoszone za pomocą dźwigni i innych "wichajstrów" dalej.

Część akustyczną przetwornika tworzą nam w/w membrana oraz elementy akustyczne, a część mechaniczną wspomniane "wichajstry", stanowiące masę, podatność i rezystancję strat części mechanicznej. Z przetwornikami elektromechanicznymi nie jest już tak prosto, a zamiana energii mechanicznej na elektryczną może odbywać się na kilka sposobów.

Mamy tu więc do wyboru: przetworniki magnetyczne, elektrostatyczne, piezoelektryczne, elektronowe, stykowe i inne, z czego magnetyczne możemy podzielić na elektromagnetyczne i magnetoelektryczne (mimo pozornej zamiany kolejności członów działanie jednego nie jest "odwrotnością" pracy drugiego).Wszystkie przetworniki możemy podzielić na odwracalne czyli takie, które mogą przetwarzać energię w obu kierunkach (np. mechaniczną na elektryczną i elektryczną na mechaniczną) oraz nieodwracalne, przetwarzające energię tylko w jednym kierunku. Do pierwszej grupy zaliczamy magnetyczne, elektrostatyczne i piezoelektryczne, a do drugiej jonowe i stykowe (które zresztą są faktycznie już niespotykane).

PRZETWORNIKI MAGNETYCZNE

Pod tą nazwą kryje się grupa przetworników, których cechą wspólną jest występowanie pola magnetycznego, niezbędnego do przetwarzania energii wejściowej, natomiast różni je to, że w przypadku magnetoelektrycznego mamy do czynienia z ruchomym przewodem, przez który płynie prąd "użyteczny", a w przetworniku elektromagnetycznym część ruchomą jest kotwica (wcale niepodobna zresztą do tej okrętowej).

PRZETWORNIK MAGNETOELEKTRYCZNY

W przetwornikach magnetoelektrycznych wykorzystuje się zjawisko oddziaływania stałego pola magnetycznego na umieszczony w nim przewód, przez który płynie prąd. W przetwornikach cewkowych przewód ma postać cewki, natomiast w przetworniku wstęgowym - cienkiego paska folii przewodzącej. Jeżeli przez przewód przetwornika przepływa prąd, to działa na niego siła mechaniczna (Rysunek 1). Jeśli teraz przez przewód będzie płynął prąd zmienny, odpowiadający przebiegowi akustycznemu danego instrumentu lub nagrania, to siła działająca na ten przewód również będzie odpowiadała temu przebiegowi, czyli ruch przewodu będzie proporcjonalny do tego, co wychodzi ze wzmacniacza (tak działa głośnik). W odwrotnej sytuacji, pod wpływem siły przewód porusza się i w uzwojeniu jego indukuje się siła elektromotoryczna, odpowiadająca zmianom ciśnienia akustycznego odbieranego przez np. membranę (mamy mikrofon).

PRZETWORNIK ELEKTROMAGNETYCZNY

Przetwornik ten praktycznie wyszedł już z użycia, czasami spotkać go możemy w "wiekowych" słuchawkach czy wkładkach mikrofonowych, był także stosowany w przetwornikach gramofonowych. Przetworniki elektromagnetyczne możemy podzielić na dwa rodzaje: przetworniki z kotwicą niezrównoważoną (inaczej swobodną) oraz ze zrównoważoną kotwicą. Pierwszy z nich ma liczne wady, jak nielinearność przetwarzania i  wspólna droga magnetyczna dla strumienia stałego i przemiennego. Wad tych pozbawiony jest przetwornik z kotwicą zrównoważoną, jednak dużą sztywność jego układumechanicznego sprawia, że rezonans występuje przy dużej częstotliwości, zwykle większej niż 100 Hz. Sprawność głośnika elektromagnetycznego z kotwicą zrównoważoną szybko maleje poniżej tej częstotliwości i tony niskie nie są odtwarzane.

PRZETWORNIK ELEKTROSTATYCZNY

Nazwa przetwornika wzięła się stąd, że przetwarzanie jednej energii na drugą odbywa się z wykorzystaniem oddziaływań elektrostatycznych. Przetwornik elektrostatyczny jest kondensatorem powietrznym, czyli takim, który składa się z dwóch okładzin z materiału przewodzącego prąd elektryczny, oddzielonych warstwą powietrza (Rysunek 2a). Stąd inna nazwa - przetwornik pojemnościowy. W naszym przypadku jedna z okładzin jest nieruchoma, a druga zmienia swoje położenie w takt zmian albo ciśnienia akustycznego padającego na nią (jeśli przetwarzamy energię akustyczną na elektryczną) albo napięcia podawanego na wejście przetwornika (jeśli przetwarzamy sygnał elektryczny na coś "dla ucha").

 

Między okładzinami wytwarza się silne pole elektryczne, bądź to przez doprowadzenie zasilania z zewnątrz (polaryzacja obca) lub też przez zastosowanie okładziny elektretowej. Co to takiego? Elektretami nazwano dielektryki, które spolaryzowane silnym polem elektrycznym zachowują trwale wytworzone ładunki elektryczne. Elektrety wykazują dużą niezależność od temperatury i wilgotności otoczenia, a także dużą stałość w czasie. Wytworzona polaryzacja odpowiada napięciu 200 V i może z biegiem czasu zmaleć do 150-180 V, przy czym okazuje się, że zmniejszenie polaryzacji jest zmniejszeniem naprężenia membrany związanego z przyciąganiem się okładzin. Stosuje się również przetwornik zrównoważony, gdzie okładzina ruchoma znajduje się pomiędzy dwiema ażurowymi okładzinami (Rysunek 2b).

Obie okładziny nieruchome mają jednakowy potencjał, stały w stosunku do okładziny ruchomej, tak że w stanie spoczynku na okładzinę ruchomą nie działa żadna siła. Napięcie przemienne jest dostarczane do okładzin nieruchomych poprzez transformator symetryczny, tak że wzrostowi napięcia między jedną okładziną nieruchomą a okładziną ruchomą towarzyszy zmniejszenie napięcia pomiędzy drugą okładziną nieruchomą a ruchomą. Przetwornik taki jest stosowany do budowy głośników elektrostatycznych.

PRZETWORNIK PIEZOELEKTRYCZNY

Co prawda przetworniki piezoelektryczne w mikrofonach, czy tym bardziej głośnikach, stosuje się bardzo rzadko, jednakże z uwagi na to, że możemy czasami mieć z nimi do czynienia warto wspomnieć kilka zdań na ich temat. Często możemy też spotkać się ze zjawiskiem piezoelektrycznym i przetwornikami działającymi w oparciu o to zjawisko, mając do czynienia z przetwornikami używanymi do nagłaśniania gitar klasycznych i elektroakustycznych, skrzypiec, a wykorzystuje się je także do budowy padów perkusyjnych.

Cóż więc to jest to zjawisko piezoelektryczne? Polega ono na tym, że przy ściskaniu np. płytki kwarcowej pojawiają się na powierzchniach bocznych ładunki elektryczne, proporcjonalne do siły ściskającej. Występuje też w tych materiałach odwrotne zjawisko piezoelektryczne, polegające na odkształcaniu się płytki wykonanej z takiego materiału pod wpływem przyłożonego napięcia.

Do materiałów wykazujących takie właściwości zaliczamy, oprócz kwarcu, kwaśny fosforan amonowy (w skrócie ADP), siarczan litu (LSH) oraz płytki ceramiczne, m.in. z tytanianu baru (BAT).

Przetworniki piezoelektryczne sprawdzają się przy pracy w zakresie wysokich częstotliwości, nawet powyżej 1 MHz, dlatego są chętnie stosowane w technice ultradźwiękowej. Natomiast ich skuteczność szybko maleje w zakresie niskich częstotliwości pasma słyszalnego, dlatego przenoszenie "dołu" brzmienia gitary czy kontrabasu nie jest ich najmocniejszą stroną. Natomiast bezsporną zaletą przetworników piezoelektrycznych jest ich mała wrażliwość na sprzężenia (nie łudźmy się jednak, po przekroczeniu pewnego poziomu nawet gitara z przystawką zacznie nam "buczeć").

autor: Armand Szary