Elektroakustički

pretvarači

Mikrofoni

Zvučnici

Slušalice

Pretvarači

Pretvaraju jedan vid energije u drugi

mehaničko-akustički

membrane, žice, štapovi

vibriraju i zrače (primaju) akustičku energiju

elektromehanički

zvučnice, vibratori, hidrofoni, ultrazvučni projektori

elektroakustički (posredstvom membrane)

mikrofoni, zvučnici i slušalice

Svi su analogni pretvarači

talasni oblik signala ostaje sačuvan

Mikrofoni

Podela mikrofona

Karakteristike

Režimi rada

Princip rada

Mikrofon

Kovanica od dve grčke reči

mikros (mali) + phone (zvuk)

microphone (na engleskom)

Razvoj uz radio, zvučni film i muzičku industriju

Alexander Graham Bell (1847-1922)

prvi analogni telefon – patent iz 1876. godine

grafitni mikrofon i elektromagnetni zvučnik

Incidentni talas

D1

K1

C

K2

i

E

D2

Pobudjeni talas sa D2

U

Mikrofon Zvucnik

Primena mikrofona

Telefoni (fiksni, mobilni, VoIP)

Diktafoni (za govor)

Snimači zvuka: na magnetne trake, kasete

Studija: radio i televizijski, govorni i muzički

Ozvučenje – koncerti, razglas

Merni mikrofoni (npr. fonometri)

Mikrofonski nizovi

Uređaji koji primaju govorne komande

roboti, igračke, aparati u domaćinstvu, industriji, kolima

Računari koji razgovaraju sa ljudima

Podele mikrofona

Po nameni: merenje, snimanje, ozvučavanje...

Po karakteristici usmerenosti (akustička podela) zavisi od načina pretvaranja akustičke u mehaničku en.

neusmereni, usmereni (razne k-ke)

Po konstrukciji (električna podela) zavisi od načina pretvaranja mehaničke u električnu en.

ugljeni, elektromagnetni, piezoelektrični

elektrodinamički, kondenzatorski

Kondenzatorski mikrofoni

Kvalitetniji, ali skuplji od dinamičkih

Koriste audio miksere sa «fantomskim napajanjem»

Interesantni su za radio stanice i studija

(profesionalni)

informativne emisije

autorski programi sa više ušesnika

emisije sa «živom» muzikom iz studija

primene u radio drami

Elektrodinamički mikrofoni

Koriste jednostavnije audio miksere koji nemaju «fantomsko napajanje»

Dobro rešenje za manje radio stanice

kraće informativne emisije

muzički DJ programi

kontakt programi sa slušaocima i

povremeno autorske programe sa više ušesnika

Studijski i broadcast dinamički mikrofoni

približavaju se kondenzatorskim po karakteristikama i ceni

Akustička podela mikrofona

Presioni (neusmereni - omnidirekcioni)

Gradijentni (dvosmerni - bidirekcioni)

Kombinovani mikrofon (jednosmerni - kardioidni)

Isti mikrofon može da ima više k-ka usmerenosti

preklopnik koji otvara kućište na određen način

Presioni mikrofon

(neusmereni)

Zvučni pritisak deluje na membranu

deluje samo na jednu stranu membrane

druga strana membrane je zaštićena kutijom

Sila koja deluje na membranu:

F = pS

S - površina membrane

Presioni mikrofoni su neusmereni

reaguju na pritisak koji je skalarna veličina

izvesna usmerenost na višim frekvencijama

membrana je u zvučnoj senci kućišta

kućište

membrana

p+p0 p0

Gradijentni mikrofon

(dvosmerni, brzinski)

Zvučni pritisak deluje s obe strane

kućište otvoreno s obe strane

ili realizacija sa dve membrane

Sila je srazmerna razlici (gradijentu) pritiska F = (p1 - p2) S

fazna razlika zbog kašnjenja i putne razlike

Karakteristika usmerenosti

dvokružna (osmičasta)

kućište

me

mb

ran

a

p1+p0 p2+p0

cosTpE

Kombinovani mikrofon

Karakteristika usmerenosti je kardioida

zbir signala presionog i gradijentnog mikrofona

uski otvori slabe p2

Osetljivost sa zadnje strane je nula

naziva se i jednosmerni mikrofon

2

cos12

)cos1(

Tp

TpEkućište

me

mb

ran

a

p1 p2p2'

+

+-

Karakteristike mikrofona

(elektro-akustičke)

1. Osetljivost (Sensitivity)

2. Frekvencijski opseg (Frequency Range)

3. Karakteristika usmerenosti (Polar Pattern)

4. Izobličenja

5. Dinamički opseg (max SPL i S/N ratio)

6. Impedansa

1. Osetljivost

(faktor pretvaranja)

(Nivo) signala na izlazu iz mikrofona (e.m.s.)

pri odgovarajućem zvučnom pritisku ispred membrane (1m, 1kHz)

Pokazuje koliko je mikrofon dobar pretvarač

izražava se u V / Pa ili češće u mV / Pa

referentna osetljivost 1V / 1Pa je nedostižna

vrednost u dB pokazuje koliko treba pojačanje

p

ET

p

EdBT log20][

2. Frekvencijski opseg

Prikazuje nivo osetljivosti po frekvencijama

referenca je osetljivost na 1 kHz

Karakteriše kvalitet (ujednačenost) reprodukcije glasa ili instrumenata

što ravnija sa minimalnim odstupanjima u što širem frekvencijskom opsegu

Govorni treba da budu dobri bar do 7-8 kHz

Za snimanje muzike

treba ravna karakteristika u celom audio opsegu

(Ne)zavisnost osetljivosti

od frekvencije

Osetljivost zavisi od e.m.s. po frekvencijama

potrebna je ravna fr. karakteristika

e.m.s. zavisi od pomeraja ili brzine

treba da brzina ili pomeraj

ne zavise od frekvencije )( ili )(

)( ili )(

)(

v

vE

p

ET

3. Karakteristika usmerenosti

Neusmereni (omnidirectional) – kružna k-ka

Dvostrano usmereni – karakteristika u obliku osmice

Usmereni (cardioid, hypercardioid)

Superusmereni (ultra-directional)

pomeramo zvučnik po k-ci a na izlazu mikrofona isti napon

Karakteristika usmerenosti

osetljivost iz ugla u odnosu na ugao 0

Stepen usmerenosti

indeks usmerenosti je u dB

Ωm je efektivni prostorni ugao

iz njega T0, izvan 0

0

)(T

T

m

m

d

444

0

2

Tipične karakteristike

usmerenosti mikrofona

Neusmerena (kružna)

Jednosmerna (kardioida)

Dvosmerna (osmičasta)

izbor prema potrebama

Zavise od konstrukcije

Zavise i od učestanosti

pokazano kod osmičaste

slično i kod ostalih

f1

f2>f1

0o

90o270

o

180o

100Hz1kHz

8kHz

f2>f1

f1

4. Izobličenja

Postoje jer je mikrofon nelinearni pojačavač

prvi u elektroakustičkom lancu

dalje se samo pojačavaju ta izobličenja

zato moraju biti što manja – do 0,1 % ili 0,2 %

rastu sa pojačanjem signala

Mera za nelinearna izobličenja

ukupna harmonijska izobličenja

THD (total harmonic distortion)

5. Dinamički opseg

Opseg u dB koji daje uvid u najjači i najslabiji zvuk koji mikrofon može da pretvori bez smetnji i izobličenja

Gornja granica - maksimalni zvučni pritisak najviši nivo zvuka ispred membrane mikrofona

za koji su na njegovom izlazu ukupna harmonijska izobličenja THD < 1% (to je obično iznad granice bola)

Donja granica određena je nivoom šuma osnovni (termički šum)

10 dB ispod din. opsega

Za govor dovoljno 40 dB

Za snimanje muzike 80-90 dB

Za laboratorijska merenja 140-150 dB

]Hz[][1064,1][ 20 fRVEn

6. Impedansa

Važna za priključivanje na pojačalo

potrebno prilagođenje po snazi

da bi se izvukao maksimum korisne snage signala

Kreće se u širokom opsegu vrednosti

reda - kod elektrodinamičkih mikrofona

reda M - kod kondenzatorskih mikrofona

Poželjne iste impedanse mikrofona i pojačala

koriste se transformatori za (nat)prilagođenje

preslikana ulazna impedansa potrošača kao imp. mikrofona

problem što reaktivni deo zavisi od frekvencije

nadprilagođenjem uzima se 10 puta veća imp. potrošača

Režimi rada mikrofonskih

membrana

Presioni mikrofon Gradijentni mikrofon

v

f

oct

dB6

oct

dB6

fr

f

oct

dB12

fr

v

f

oct

dB12

fr

f

oct

dB6

oct

dB6

fr

Princip rada i karakteristike

nekih mikrofona

Grafitni (ugljeni)

Dinamički (sa trakom i kalemom)

Kondenzatorski (i elektret)

Kristalni – piezoelektični efekat

pločica kristala se naelektriše kad se savija

Ugljeni (grafitni) mikrofon

Presioni, radi u režimu elastičnog kočenja

Velika osetljivost, loša frekvencijska k-ka

50-100 mV/Pa, pojačava 30-40 dB, napon 4-12V

10-400 , fr = 2000 Hz, robustan, mala dinamika

0

0

R

CShE

p

ET m

Elektrodinamički mikrofon

(sa kalemom)

Provodniku se kreće u polju stalnog magneta

indukuje se e.m.s. srazmerna proizvodu B, l i v

Presioni, brzina se pretvara u e.m.s.

režim otpornog kočenja

radni opseg npr. 200 do 8000 Hz

Osetljivost 1-5 mV/Pa

dovoljno za odvojen pretpojačavač

postiže se sa magnetnom indukcijom B

opada pri udaru (padu) mikrofona

Velika dinamika (120 dB), mala izobličenja

ograničeno kretanje = smanjena dinamika m

m

R

SlB

p

R

SplB

p

vlB

p

ET

Elektrodinamički mikrofon

(sa trakom)

Starija varijanta elektrodinamičkog mikrofona

Gradijentni mikrofon

brzinu pretvara u e.m.s.

biramo režim inercijalnog kočenja

Osetljivost 0,2-0,5 mV/Pa

mala (mana)

Mala impedansa

neophodan trafo za prilagođenje

diže osetljivost na 3 mV/Pa

Skupi su i vrlo osetljivi cm

dSlB

p

cm

dSplB

p

vlB

p

ET

Kondenzatorski mikrofon

Kretanjem ploče kondenzatora (membrane)

menja se kapacitivnost i količina elektriciteta

naelektrisanje se menja u ritmu zvuka

struja punjenja/pražnjenja stvara napon na otporniku

b

CSE

p

ET m

0

Karakteristike

kondenzatorskog mikrofona

Presioni, pomeraj se pretvara u e.m.s. režim elastičnog kočenja (kao i ugljeni)

(može se konstruisati i kao gradijentni)

Osetljivost do 10 mV/Pa ali se ne može podići sa trafoom za prilagođenje

postiže se velikim DC naponom E0 = 100-200 V

odnos E0 /b ograničen zbog proboja kondenzatora

Ravna frekvencijska karakteristika

Veliki dinamički opseg (npr. 140 dB)

Stabilan, otporan, skup (profesionalni)

Velika impedansa 0,5-1 M naponski razdelnik umesto trafoa za (nad)prilagođenje

b

CSET m 0

Elektret mikrofon

Dielektrik između obloga kondenzatora

elastični poliester (rešenje za veliki DC napon) ubaci se pod velikim pritiskom na visokoj temperaturi

u radnim uslovima ostaje polarisan – 100-150 V

Male dimenzije, lagan i čvrst, odlične k-ke

Ima jako veliku impedansu, reda G mora se pažljivo vršiti prilagođenje impedanse

generisana e.m.s. skida se preko R (umesto trafa)

C0 = 100 pF na niskim audio frekvencijama daje M

često se u kućište stavlja pretpojačavač da snizi R

da ne bi Z kabla u paraleli oborila R

Zvučnici

Karakteristike

Princip rada

Konstrukcija

Namena zvučnika

Zvučnik je elektroakustički pretvarač

pretvara električnu energiju u akustičnu

električne signale pretvara u zvučne talase

posrednik je membrana (mehanički element)

Norme za kvalitetnu reprodukciju zvuka

reprodukovani zvuk što vernija kopija orginala (bez izobličenja)

ne bi smeo unositi nove komponente

(kolorisati) s frekvencijama koje ne postoje u električnoj pobudi

Podela zvučnika

Po principima rada:

elektromagnetni – najstariji, primena u telefonima

piezoelektrični (kristal pod naponom vibrira)

elektrostatički (kondenzatorski) – tanak, kvalitetan, skup

membrana je pokretna ploča kondenzatora; visokotonac

elektrodinamički zvučnik – najviše se koristi

zvučni direktni emiteri, zvučnici sa trubom

U odnosu na namenu:

komercijalni i profesionalni

U odnosu na frekfencijski opseg:

širokopojasni i pojasni

Elektroakustičke

karakteristike zvučnika

1. Odziv ili reprodukcija

2. Efikasnost

3. Frekvencijska karakteristika

4. Karakteristika direktivnosti

5. Stepen iskorišćenja

6. Izobličenja

7. Nazivna (nominalna) snaga

8. Impedansa

1. Reprodukcija

(faktor pretvaranja)

Sposobnost zvučnika da U pretvori u p

pokazuje koliko je zvučnik dobar pretvarač

Na zvučnik se dovede napon U na 1 kHz

meri se zvučni pritisak na rastojanju 1 m

referenca za dB je zamišljeni zvučnik 1V-1Pa

U

pT

U

pdBT log20][

2. Efikasnost

Slična k-ka kao i odziv

umesto napona posmatra se električna snaga

Meri se u gluvoj sobi

predviđen je samo direktni zvučni talas

Koristi se za proračun ozvučenja

u otvorenom prostoru na rastojanju r

IU

pe m

1

mrme ppPe 1

3. Frekvencijska karakteristika

Nivo odziva na pojedinim frekvencijama

Teško je napraviti membranu koja produkuje

sve frekvencije sa istim kvalitetom

treba cela da osciluje na niskim frekvencijama

membrana treba da bude kruta

na višim frekvenc. osciluju neki segmenti

membrana treba da bude elastična

Više membrana (zvučnika) u istoj kutiji

filtri (NF, SF i VF), skretnice

zbirna k-ka je ravna (odstupanja 0,05dB)

4. Karakteristika direktivnosti

(usmerenosti)

Prostorna karakteristika

Na niskim frekvencijama svi su neusmereni

svejedno je gde su i kako su okrenuti basovi

dok su dimenzije manje od talasne dužine (100=3,5m)

Na višim frekvencijama sužava se ugao zračenja

postaje usmerenije zračenje (linije istog zv. pritiska)

najveće zračenje je u pravcu normalnom na membranu

referentna vrednost za zračenje u ostalim pravcima

Direktivnost zavisi od frekvencije i dimenzija

5. Stepen iskorišćenja

Odnos akustičke i električne snage

koristi se u proračunu potrebne električne snage

važno pri ozvučavanju zatvorenog prostora

bitan nivo zvuka (akustička snaga)

nebitni odziv u smeru ose i karakteristika usmerenosti

Stepen iskorišćenja je mali – 1-3%

zvučnik je loš (neefikasan) pretvarač

Eksponencijalni levak smanjuje ugao zračenja

povećava stepen iskorišćenja i do 50%

koristi se u mornarici, na stadionima, mitinzima

kraći levak može samo sa manjim membranama

%100e

a

P

P

6. Izobličenja

Zvučni signal nije verna slika električnog

izobličenja: nelinearna, intermodulaciona, fazna, ...

Vezuju se za električnu snagu

naglo se uvećavaju kada se zvučnik preoptereti

kalem izlazi iz homogenog magnetnog polja

pri suviše velikoj pobudi (velike amplitude kretanja)

Postoji i Doplerov efekat

na NF osciluje cela površina membrane

na VF proosciluju delovi membrane

Membrana nije savršeno centrirana

treba da osciluje paralelno celom površinom

7. Nazivna (nominalna) snaga

Električna snaga koja se može dovoditi na zvučnik

može da radi neprekidno bez trajnih oštećenja

Opterećenje zvučnika

0,1; 0,2; 0,5; 1; 3; 5; 10; 25; 100 W

npr. 3W kod TV prijemnika

U projektovanju ozvučenja ne treba ići na max

nominalnu snagu

najbolje radi pri opterećenju 30-50% od max snage

kvalitetnija ozvučenja idu na manju snagu

8. Impedansa

Podatak za pravilno priključenje na pojačavač

daje ga proizvođač, može se izmeriti

Niskoomski 4-8 (-16)

Visokoomski 600-800 (npr. u TV)

Zavisi od žice u namotajima

ta impedansa sadrži otpornost i induktivnost

zavisi i od mehaničke konstrukcije i frekvencije

Impedanse neugrađenog

elektrodinamičkog zvučnika

Elektrodinamički zvučnik

Isti principi kao kod el.dinamičkog mikrofona

Na provodnik sa strujom u magnetnom polju

deluje sila u pravcu ose zvučnika

smer se menja sa naizmeničnom strujom

pomera membranu napred-nazad

veća sila povećanjem magnetne indukcije

duža žica bi imala veći otpor (manja I i manja F)

deblja žica (manji otpor) bi razmakla polove magneta

stalni magneti od specijalnih legura

Dobra reprodukcija u celom audio opsegu

mala izobličenja i bolji stepen iskorišćenja od drugih zvučnika

razne veličine i snage – nekoliko cm do više desetina cm

IlBF

Ugrađivanje

membrane u kutiju

Sama membrana zrači kao akustički dipol neželjene pozitivne i negativne superpozicije

zavise od talasne dužine i udaljenosti mikrofona

suzbija se ugradnjom u kutiju ili u zid

odbijeni talasi remete oscilovanje membrane

kutija se ispuni rastresitim materijalom

Akustička elastičnost kutije menja karakter impedanse zračenja

pojavljuje se Ca na red sa Cm – snižava Cekv

povećava mehaničku rezonansu puta

to se kompenzuje sa tzv. bas-refleks otvorom

2

Bas-refleks

U eq. el. šemi se ak. masa otvora javlja u

paraleli sa ak. impedansom (Ca i Zaz)

VF ne prolaze kroz

nema promena na VF zbog otvora

na NF reaktansa otvora kratko vezuje Ca

eliminiše uticaj ugradnje u kutiju (Ca)

kroz otvor korisna superpozicija bas tonova

otvor može biti i sa strane i kao lavirint

Proširuje se radni opseg na NF

am

Zvučni stubovi

Više zvučnika u vertikalnom nizu

veća snaga (i potrošnja)

Usmereno zračenje

u horizontalnoj ravni krug (auditorijum)

u vertikalnoj ravni uži ugao zračenja

nema nekorisnog zračenja gore i dole

Sa strane minimalno zračenje

dobro mesto za mikrofone

(izbegava se mikrofonija)

Zvučnici za kompjuter

Computer Speakers ili Multimedia Speakers imaju pojačalo integrisano unutar zvučnika

mogu se direktno spojiti na priključak zvučne kartice

PC speaker mali zvučnik unutar kućišta kompjutera

spojen je na matičnu ploču

naziva se još i PC beeper ispušta samo jedan ton (beep)

služi za upozorenja PC sistema

Princip rada vibrirajuća membrana i

magnet u zvučniku

zvučna kartica u kompjuteru

Vrste zvučnika

Stoni i podni zvučnici

Zvučnici koji se ugrađuju u plafon

Zvučnički sistemi (2.1, 5.1, 7.1)

Bežični zvučnici

USB zvučnici

Razni

zvučnici

Slušalice

Konstrukcija

Karakteristike

Princip rada

Namena slušalica

Pretvara električnu u akustičku energiju

isti principi kao i zvučnik

Razlike u obliku i konstrukciji

proizvodi daleko manju akustičku snagu

ozvučava nekoliko cm3 (ušna školjka i slušni kanal)

zvučnik ozvučava više desetina ili stotina m3 prostora

Primene slušalica

najšira u telefoniji

u održavanju radio veza

u RTV studijima i pri snimanju zvuka

za reprodukciju stereo muzike

Elektrodinamičke slušalice

Minijaturni elektrodinamički zvučnik

stalni magnet, pokretni kalem i membrana

Mekani jastučići na kućištu

izoluju od spoljne buke

Kvalitet reprodukcije

ne zaostaju za najboiljim zvučnicima

frekvencijski opseg 30Hz do 20kHz

reprodukcija basova se kvari ako jastučići ne naležu

Razlika u slušanju sa zvučnika i slušalica

Da li je zvuk obojen prostorijom u kojoj slušamo?