Электроакустические преобразователи

Электроакусти́ческие преобразователи

Устройства, преобразующие электрическую энергию в акустическую (энергию упругих колебаний среды) и обратно. В зависимости от направления преобразования различают Э. п.: излучатели и приёмники. Э. п. широко используют для излучения и приёма звука в технике связи и звуковоспроизведения, для измерения и приёма упругих колебаний в ультразвуковой технике, гидролокации и в акустоэлектронике. Наиболее распространённые Э. п. линейны, т. е. удовлетворяют требованию неискажённой передачи сигнала, и обратимы, т. е. могут работать и как излучатель, и как приёмник, и подчиняются принципу взаимности. В большинстве Э. п. имеет место двойное преобразование энергии (рис.): электромеханическое, в результате которого часть подводимой к преобразователю электрической энергии переходит в энергию колебаний некоторой механической системы, и механоакустическое, при котором за счёт колебаний механической системы в среде создаётся звуковое поле.

Существуют Э. п., не имеющие механической колебательной системы и создающие колебания непосредственно в среде, например электроискровой излучатель, возбуждающий интенсивные звуковые колебания в результате электрического разряда в жидкости, излучатель, действие которого основано на электрострикции (См. Электрострикция) жидкостей. Эти излучатели необратимы и применяются редко. К особому классу Э. п. относятся приёмники звука (также необратимые), основанные на изменении электрического сопротивления чувствительного элемента под влиянием звукового давления, например угольный Микрофон или полупроводниковые приёмники, в которых используется т. н. Тензорезистивный эффект — зависимость сопротивления полупроводников от механических напряжений. Когда Э. п. служит излучателем, на его входе задаются электрическое напряжение U и ток i, определяющие его колебательную скорость v и звуковое давление р в его поле; на входе Э. п. — приёмника действует давление р или колебательная скорость v, обусловливающие напряжение V и ток I на его выходе (на электрической стороне). Теоретический расчёт Э. п. предусматривает установление связи между его входными и выходными параметрами.

Колебательными механическими системами Э. п. могут быть стержни (См. Стержень), Пластинки, оболочки (См. Оболочка) различной формы (полые цилиндры, сферы, совершающие различного вида колебания), механические системы более сложной конфигурации. Колебательные скорости и деформации, возникающие в системе под воздействием сил, распределённых по её объёму, могут, в свою очередь, иметь достаточно сложное распределение. В ряде случаев, однако, в механической системе можно указать элементы, колебания которых с достаточным приближением характеризуются только кинетической, потенциальной энергиями и энергией механических потерь. Эти элементы имеют характер соответственно массы М, упругости 1/С и активного механического сопротивления r (т. н. системы с сосредоточенными параметрами). Часто реальную систему удаётся искусственно свести к эквивалентной ей (в смысле баланса энергий) системе с сосредоточенными параметрами, определив т. н. эквивалентные массу М_экв, упругость 1/С_экв и сопротивление трению r_m. Расчёт механических систем с сосредоточенными параметрами может быть произведён методом электромеханических аналогий (см. Электроакустические и электромеханические аналогии). В большинстве случаев при электромеханическом преобразовании преобладает преобразование в механическую энергию энергии либо электрического, либо магнитного поля (и обратно), соответственно чему обратимые Э. п. могут быть разбиты на следующие группы: электродинамические преобразователи, действие которых основано на электродинамическом эффекте (излучатели) и электромагнитной индукции (приёмники), например громкоговорители (См. Громкоговоритель), микрофон; электростатические, действие которых основано на изменении силы притяжения обкладок при изменении напряжения и на изменении заряда или напряжения при относительном перемещении обкладок конденсатора (громкоговорители, микрофоны); пьезоэлектрические преобразователи, основанные па прямом и обратном пьезоэффекте (см. Пьезоэлектричество); электромагнитные преобразователи, основанные на колебаниях ферромагнитного якоря в переменном магнитном поле и изменении магнитного потока при движении якоря; магнитострикционные преобразователи (См. Магнитострикционный преобразователь), использующие прямой и обратный эффект магнитострикции (См. Магнитострикция).

Свойства Э. п. — приёмника характеризуются его чувствительностью в режиме холостого хода γ_xx = V/p и внутренним сопротивлением Z_эл. По виду частотной зависимости V/p различают широкополосные и резонансные приёмники. Работу Э. п. — излучателя характеризуют: чувствительность, равная отношению р на определённом расстоянии от него на оси характеристики направленности к U или i; внутреннее сопротивление, представляющее собой нагрузку для источника электрической энергии; акустоэлектрический кпд η_а/эл = W_ak/W_эл, где W_ak — активная акустическая мощность в нагрузке, W_эл — активная электрическая потребляемая мощность, W_ak = Z_нv₀² (v₀ — колебательная скорость точки центра приведения на излучающей поверхности, Z_н — сопротивление акустической нагрузки, равное сопротивлению излучения Z_s, при контакте Э. п. со сплошной средой). Перечисленные параметры зависят от частоты. Величины р и η_а/эл достигают максимального значения на частотах механического резонанса, вследствие чего мощные излучатели делают, как правило, резонансными. Конструкции Э. п. существенно зависят от их назначения и применения и поэтому весьма разнообразны.

Лит.: Фурдуев В. В., Электроакустика, М. — Л., 1948; Харкевич А. А., Теория преобразователей, М. — Л., 1948; Матаушек И., Ультразвуковая техника, пер. с нем., М., 1962; Ультразвуковые преобразователи, под ред. Е. Кикучи, пер. с англ., М., 1972.

Б. С. Аронов, Р. Е. Пасынков.

Блок-схема электроакустического преобразователя: 1 — электрическая сторона; 2 — механическая колебательная система; 3 — звуковое поле; сплошные стрелки — электромеханическое (механоэлектрическое) преобразование; пунктирные — механоакустическое (акустомеханическое).