Большая советсткая энциклопедия Электроакустические преобразователи

Электроакустические преобразователи

Электроакустические 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 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, пластинки, оболочки 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, 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, использующие прямой и обратный эффект магнитострикции.

Свойства Э. п. — приёмника характеризуются его чувствительностью в режиме холостого хода g_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 h_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 h_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.