Акустические приборы

РЕФЕРАТ 

Акустические приборы 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2009

      1. Звукоизлучатели 

     А) Громкоговорители

     а) Мембраны. По Г. Бухману особенно целесообразно применять бумажные мембраны, причем выбор материала для них позволяет влиять на жесткость и внутреннее затухание мембран. При прямых образующих и больших амплитудах колебаний возникает опасность возбуждения унтертонов, появляющихся вследствие изгибных колебаний. Можно избежать их появления, придавая мембране форму неразвертывагощейся поверхности ". Практика показала, что лучшая форма мембраны получается при параболической образующей ее конуса, если при этом кривизна максимальна в середине и снижается к краям. Это позволяет сделать весь громкоговоритель более плоским. Его частотная характеристика постоянна, в области высоких частот она не обнаруживает никакого возрастания, а направленность становится менее резкой.

     Иногда с целью экономии места вместо круглых применяются мембраны эллиптической формы.

     Для более точного воспроизведения переходных процессов рекомендуется вводить дополнительное затухание на краях мембраны, например, с помощью фетра, а еще лучше -- наклеивая эластичный слой из искусственного пластика. Если этим материалом покрыть всю поверхность мембраны, то затухание распространяется и на высокие частоты. Того же эффекта можно добиться, если заклеить отверстия монтажного конуса громкоговорителя пористым материалом.

     Более сильное затухание, как известно, достигается и при увеличении индукции магнитного поля в зазоре диффузора. Для ослабления слишком сильного резонанса на низких частотах можно применять также пористые центрирующие мембраны с соответствующим воздушным сопротивлением.

     б) Направленное действие и расширение частотного спектра. Для получения равномерного распределения звука при высоких частотах на сердечник электромагнита жестко насаживают концентрически отдельный звукораспределяющий конус. Чтобы с одной установкой можно было получать излучение в области частот от 30 до 15000 гц, В. Бюрк предложил применять добавочный конус для воспроизведения высоких тонов; он делается из бумажного волокнистого вещества, имеет очень небольшой вес и укрепляется в середине конусной мембраны.

     Верхняя граница обычных громкоговорителей лежит при частотах от 5 до 8 кгц; для высококачественных передач частот до 15000 гц предусматривают добавочные громкоговорители специально для высоких тонов. Работа этих приборов может быть основана на электродинамическом, электростатическом или пьезоэлектрическом принципах. Звуконаправленность таких излучателей в большинстве случаев сильно выражена, как это следует из отношения длины полны к размерам излучателя. Поэтому располагают несколько излучателей под различными углами или же поверхность излучателя делают выпуклой.

     Электростатические излучатели с твердым диэлектриком неоднократно описывались. Колеблющейся мембраной служит полистироловая пленка толщиной около 10 лиг, покрытая тонким слоем серебра или алюминия. Поверхность второго электрода обрабатывается пескоструйным аппаратом, или жена ней наносятся концентрические бороздки. Преимуществом таких устройств является возможность легко приспосабливать их форму и размеры к любым обстоятельствам.

     в) Применение группы из нескольких громкоговорителей. Для получения так называемого объемного звучания Харц и Кёстерс предложили пользоваться группами из нескольких громкоговорителей, что оправдало себя. Несколько громкоговорителей располагаются на поверхностях особой многогранной подставки и излучают во всех направлениях колебания с частотами выше 400 гц. Колебания с меньшими частотами излучаются особым низкочастотным громкоговорителем, расположенным горизонтально, так что его колебания также распространяются но всем направлениям.

     В радиовещании ограничиваются несколькими громкоговорителями, излучающими вперед и в стороны. При монтаже громкоговорителей в закрытых футлярах необходимо принимать во внимание объемные резонансные явления. В данном случае их устраняют применением звукопоглощающих материалов. Необходимо делать стенки футляров возможно толще, выносить громкоговорители по возможности вперед и обеспечивать максимальную звукопроницаемость материи, закрывающей диффузоры.

     При радиовещании в больших помещениях или на открытом пространстве несколько громкоговорителей устанавливают но прямой линии и получают направленное излучение. Чем ниже частоты, тем длиннее должна быть линия расположения громкоговорителей. Направленное излучение, получаемое таким приемом, схематически показано на рис. Сильное излучение имеет место в плоскости, перпендикулярной к плоскости расположения громкоговорителей, в двух других плоскостях оно значительно слабее. Нежелательное излучение в обратную сторону, возникающее иногда, можно уменьшить по Калуше, помещая за системой громкоговорителей задерживающие устройства из материалов с достаточным акустическим сопротивлением.

     г) Устройство дек для громкоговорителей. Громкоговорители на деках следует устанавливать асимметрично. Для дек выбирается такой материал, который слабо резонирует, как, например, клееная фанера толщиной свыше 1 см. Размеры деки должны определяться самыми низкими частотами излучения.

     д) Рупорные громкоговорители. Громкоговорители с рупором, сечение которого расширяется по экспоненциальному закону, работают, как известно, с коэффициентом полезного действия более высоким, чем при коническом рупоре.

     Длину и сечение рупора следует выбирать, принимая во внимание нижнюю граничную частоту. При частоте 50 гц радиус рупора следует брать около 1 м, а длину около 4 ле. Если применяется складчатый рупор по Ольсону, то можно обходиться меньшим объемом.

     Б) Термические излучатели звука

     В качестве нормального излучателя звука оказался пригодным термофон. Его звуковое давление можно относительно просто рассчитать. Если пропускать переменный синусоидальный ток через термофон, то он начнет звучать с частотой, вдвое большей частоты тока. Чтобы устранить это явление, необходимо одновременно пропускать через термофон постоянный ток, сила которого больше силы переменного тока. По данным Бекеши для термофона можно пользоваться квадратичной характеристикой, если через него пропускать два высокочастотных тока с близкими частотами; возникающие при этом биения звуковой частоты имеют достаточно большие амплитуды. Этим методом пользуются, если необходимо получать медленные синусоидальные колебания давления. В термофоне применяются полоски золотой или платиновой фольги толщиной от 0,01 до 1 мк, площадью от 5 до 10 см² или волластоновские нити толщиной 0,05--1 мк.

     Для получения колебаний с частотой выше 1000 гц можно пользоваться поющей электрической дугой. В воздухе этим методом достигаются частоты до 2 мггц. Вследствие малых размеров источника звука имеет место широкое ненаправленное излучение. В ионофоне нагретый электрическим током раскаленный штифт испускает электроны, которые ускоряются посредством высокого напряжения, образуя в воздухе ионы. Если на ускоряющее напряжение накладывают переменное напряжение, то при этом образуются соответствующие звуковые волны.

     В) звуковые линзы

     По Коку и Хэрри звуковые колебания, в особенности ультразвуковые, можно собирать или рассеивать линзами особого вида. Линза состоит из жестяных пластин круглой формы, установленных под углом к фронту звуковой волны. Вследствие того, что волны вынуждены распространяться обходным путем I, создается разность хода. Если расстояние между пластинами . то 

     где I₀ -- толщина линзы ни -- коэффициент преломления линзы.

     а) Свистки как излучатели. Для излучения звука с частотами до 40 кгц в воздухе употребляют свисток Гальтона. Еще более высокочастотные звуки, до 120 кгц, можно получить с помощью газового генератора Гартмана с более высоким коэффициентом полезного действия. При работе с водородом достигают частот в 500 кгц. С этим генератором Эрт и Ханеман соединяли мембраны и облучали таким путем жидкости звуковым полем с мощностью 1 вт/см².

     Яновский и Польман описывают жидкостный свисток; он состоит из форсунки и укрепленной вблизи нее металлической пластинки с острым краем, на который падает струя жидкости, выбрасываемая форсункой. При правильном выборе скорости струи и расстояния до острого края пластинки возникают мощные резонансные колебания последней. Левавассер и Гавро описывают свисток для ультразвуковых колебаний в воздухе, который состоит из кольцевого лезвия и соответствующей цилиндрической полости.

     б) Сирены. Для достижения больших мощностей звука в воздухе можно применять ультразвуковые сирены, которые работают с большим коэффициентом полезного действия. В зависимости от скорости вращения можно получить частоты от 1 до 200 кгц. Такие приборы применяют для коагуляции взвешенных частиц в воздухе.

     в) Получение ультразвуковых колебаний в жидкостях. Для получения ультразвука в жидкостях применяют преимущественно магнитострикционные и пьезоэлектрические звуковые генераторы. Для первых генераторов пользуются стержнями или трубками из никеля или сплавов железа с никелем. Для того чтобы избежать потерь на вихревые токи, трубки или стержни разрезаются. По данным Пирса для этих целей подходит инвар, а также монель. Коэффициенты колебаний, определяемые выражением равняются: для закаленного никеля 252 400, мягкого никеля 235 300; инвара 209 500, монеля 210 800, цекаса 234 900. Неферромагнитные вещества можно также применять в качестве вибратора, если их покрыть тонким слоем магнитострикционного материала. Нечувствительные к температуре вибраторы можно изготовить, насаживая корпус из материала с температурным коэффициентом одного знака на сердечник с температурным коэффициентом противоположного знака. При этом уменьшают также потери на вихревые токи приемом, аналогичным тому, который имеет место в трансформаторах, где вводятся между стальными листами слои изоляции. Листы укладывают в пакеты, в которых делают продольные прорези для намагничивающей обмотки. Область частот такого вибратора лежит между 20H 200 кгц. Звук излучается перпендикулярно к конечным плоскостям;

     направленность излучения будет тем острее, чем больше линейные размеры излучающей поверхности но сравнению с длиной волны. Очень остро направленное излучение можно получить, соединяя несколько излучателей в группы. Вводя элементы, изменяющие разность хода между, отдельными волнами, можно изменять в желаемом направлении характеристику направленности излучения. Кроме того, придавая излучающей поверхности определенную форму, можно заглушать боковые максимумы диаграммы направленности. Если желательно получить равномерное излучение во все стороны, можно с успехом применять круглый вибратор.

     Для возбуждения звуковых волн в жидкости колеблющийся стержень закрепляют в узлах стоячей волны и заставляют его возбуждать колебания в жидкости. Для случаев, когда невозможно ввести вибратор внутрь жидкости, Тид предложил применять промежуточный вибратор в виде поршня, который изготовляют из упругого материала н закрепляют наконце пакета вибраторов. Конец этого поршня вводят в жидкость или в расплавленное вещество. Вибратор и поршень можно охлаждать циркулирующей жидкостью. Возбуждение звуковых волн в кислотах, щелочах, горячих жидкостях и расплавленных веществах возможно при температурах до 700°С.

     Для того чтобы заставить вибратор колебаться на основной частоте, его необходимо подмагничивать с помощью постоянного тока; в противном случае он колеблется с двойной частотой. Чтобы уменьшить подмагничивание, применяют металлы с высокой остаточной индукцией; Камп применял сплав 2-Р-пермендур; можно также установить вблизи постоянный магнит.

     Д) Пьезоэлектрический излучатель

     Пьезоэлектрический эффект был обнаружен в кварце, турмалине, сегнетовой соли, фосфате аммония, сульфате лития и др., эти вещества нашли практическое применение. Пластинки, применяемые в качестве вибраторов, вырезаются из монокристаллов в определенном направлении. Например, кварцевые пластинки вырезаются в плоскости. Сегнетова соль вследствие ее недостаточной механической прочности лучше подходит для приемников ультразвука. Она сохраняет свою прочность только при влажности от 40 до 85%, а при температуре свыше 55°С разлагается. Сегнетова соль примерно в 10 рдз чувствительнее, чем фосфат аммония и в 150 раз чувствительнее кварца. Фосфат аммония выдерживает нагревание до 100°С и влажность от 0 до 93%.

     Краткую сводку свойств пьезоэлектрических преобразователей недавно опубликовал Добелли.

     При введении вибраторов в жидкость их затухание значительно Возрастает; в этом случае вибраторы можно применять также на частотах, отличных от резонансных. Применяя кварцевые пластинки, пользуются их поперечными колебаниями в области более высоких частот и продольными -- в области низких частот. Для получения больших мощностей при продольных колебаниях Ланжевен склеивал вместе несколько кварцевых пластинок, заключал их между двумя стальными пластинками и возбуждал всю систему. Наклеивание кварца па металл и другие операции надо производить очень осторожно. Особое внимание следует обращать на устранение воздушных пузырей. Хорошо подходит для этих целей клей коэзан.