ШУМОСТОЙКИЙ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ МИКРОФОН

Заявляемая полезная модель относится к технике электроакустических преобразователей (Кл. МПК - H 04 R), а именно к электродинамическим микрофонам (H 04 R 9/08), в частности - к шумостойким (шумоневосприимчивым) микрофонам градиента давления 1-го порядка, шумоподавление в которых достигается за счет специфической диаграммы направленности («улитка Паскаля» - восьмерка, кардиоида и т.п.) и разницы в чувствительности к акустическим волнам сферической и плоской формы (H 04 R 1/20, 1/32, 1/34, 1/38). В соответствии с существом заявляемой полезной модели, в которой используется плоская мембрана или диафрагма с плоской катушкой - H04R 7/04.
Аналогом заявляемой полезной модели является шумостойкий дифференциальный электромагнитный микрофон градиента давления 1-го порядка с большей чувствительностью к акустическим волнам сферической формы: ДЭМШ-1А, разработчик НИИДС, г.Санкт-Петербург, изготовитель - завод «Октава», г.Тула. В этом микрофоне внутри корпуса с фронтальным и тыльным акустическими входами, в которых установлены акустические сопротивления расположен капсюль, в котором также обеспечены фронтальный и тыльный акустические проходы к акустически чувствительной мембране. Эта мембрана круглой формы, плоская, выполнена из магнитомягкого материала (пермалой 50Н) толщиной 0,8 мм, которая зажата по своему краю между двумя кольцевыми постоянными магнитами, установленными на полюсных наконечниках, расположенных на внешней стороне упомянутых кольцевых постоянных магнитов.
Полюсные наконечники имеют Т-образную форму в осевом сечении. Стойки «Т» имеют вид трубки, через каналы которых звук достигает упомянутой мембраны.
рад
Кольцевые магниты намагничены последовательно и магнитный поток проходит последовательно через эти магниты, через полюсные наконечники (радиально), через стойки «Т». В трубчатые стойки «Т» ввернуты регулировочные трубчатые винты, регулирующие магнитное поле таким образом, чтобы не было радиального магнитного потока через упомянутую мембрану (ни к центру, ни от центра, т.е. Ф=0). Мембрана расположена в воздушном зазоре, образованном между кольцевыми магнитами с помощью калиброванных прокладочных колец из магнитомягкого материала пермаллоя 50Н, а центр мембраны расположены в воздушном зазоре между регулировочными винтами. В полостях, образованных кольцевыми магнитами и «стойками» полюсных наконечников, расположены токопроводящие катушки, последовательно соединенные между собой. Под воздействием разностного акустического давления на упомянутую мембрану, эта мембрана колеблется между «стойками» полюсных наконечников и в катушках возникает ЭДС индукции - микрофонный эффект. Недостатком этого аналога являются:
1. сложность и острота настройки магнитного поля, так чтобы радиальный магнитный поток через мембрану равнялся «0». Очень маленький воздушный зазор между мембраной и центральными полюсами - наконечниками - стойками «Т» и ввернутыми в них винтами приводит к очень медленной работе, требующей очень большой аккуратности и очень большого навыка. Но и при таких условиях работы часто происходит залипание мембраны к одному из центральных полюсов, что приводит к невосстанавливаемому браку с последующей
разборкой и заменой мембраны. Из-за малости упомянутых зазоров настройка вообще оказывается чрезвычайно «острой»: малейшее отклонение мембраны от позиции, в которой радиальный магнитный поток через мембрану равен «0», приводит к сильному уменьшению чувствительности микрофона или к упомянутому «залипанию».
2. Недостаточная механическая надежность микрофона. При ударах и/или сильной вибрации мембрана отклоняется от позиции, в которой радиальный магнитный поток через нее равен «0». В результате происходит уменьшение чувствительности или «залипание» мембраны.
3. Недостаточная надежность микрофона при воздействии низких температур (порядка -50°С и ниже). После возвращения микрофона в нормальные тепловые условия (+20°С) его чувствительность сильно снижается (более чем в 2 раза) или микрофон выходит из строя благодаря упомянутому «залипанию».
4. Недостаточно широкая полоса воспринимаемых частот (300-3000 Гц) при большой неравномерности амплитудно - частотной характеристики. Другим аналогом заявляемой полезной модели является «Микрофон динамический миниатюрный» МДМ-2 (разработка СКВ завода «Октава», изготовитель завод «Октава». В этом аналоге имеется корпус с фронтальным и тыльным акустическими входами, с установленными в них акустическими сопротивлениями, являющимися одновременно пыле - и брызгозащитой для создания диаграммы направленности в форме «улитки Паскаля. Внутри корпуса размещен капсюль, содержащий кольцевой постоянный магнит с осевой намагниченностью. Магнит установлен одним своим полюсом на круглом полюсном наконечнике с центральным керном. На втором полюсе постоянного магнита установлен кольцевой полюсный наконечник. Между этим полюсным наконечником и упомянутым керном
расположен кольцевой воздушный зазор шириной порядка 0,8 мм, в котором действует радиальное постоянное магнитное поле. В этом поле свободно колеблется в направлении своей оси цилиндрическая токопроводящая катушка, торцом своим установленная на акустически чувствительной диафрагме. Эта диафрагма содержит три концентрически расположенные зоны: центральная жесткая (куполообразная) часть, концентрично расположенная относительно центральной части гибкая кольцевая часть, гибкость которой обеспечивается тангенциальными гофрами. Упомянутая цилиндрическая катушка установлена на границе центральной жесткой части и гибкой кольцевой части. Третья концентрическая кольцевая зона расположена по периферии гибкой зоны и является установочным воротником, который прочно прикреплен к кольцевому полюсному наконечнику.
Акустическое давление через фронтальный и тыльный акустические входы корпуса и капсюля воздействует на обе стороны акустически чувствительной диафрагмы, которая колеблется под действием разности этих давлений и вместе с диафрагмой колеблется в кольцевом воздушном зазоре упомянутая катушка, амплитуда которой пропорциональна разности акустических давлений, а частота равна частоте акустического давления.
Этот аналог относительно первого аналога не имеет «острой» настройки, существеннее его при воздействии низких температур и обладает более широкой полосой воспринимаемых частот (150-720 Гц) при меньшей неравномерности амплитудно-частотной характеристики.
Недостатками же электродинамического шумостойкого микрофона МДМ-2 являются:
1. сложность изготовления: намотка цилиндрической бескаркасной тонкостенной катушки. Ширина по радиусу этой катушки составляет величину порядка
0,2 мм, поскольку она колеблется в воздушном кольцевом зазоре магнитной цепи шириной 0,6-0,8 мм и не должна касаться стенок этого зазора при любой ориентации микрофона и при любых его рабочих эволюциях. Сложной и трудоемкой является также операция центровки катушки в упомянутом кольцевом зазоре магнитной цепи. При неправильной центровке катушка цепляется за стенки зазора и амплитудно-частотная характеристика микрофона становится плохой, прослушиваются шорохи, скрип и т.п.
2. Недостаточная надежность микрофона: катушка не обладает достаточной прочностью, поскольку выполнена бескаркасной, исключительно на клею. Это обеспечивает минимальную массу катушки и минимальную ее ширину по радиусу. В результате катушка может разрушиться или под воздействием механических ударов и вибраций или даже во время работы при рабочих эволюциях микрофона.
3. Недостаточная влагостойкость, приводящая к разрушению катушки или всей подвижной системы (отклеивание катушки от диафрагмы и витков между собой).
4. Недостаточная надежность микрофона из-за расцентровки катушки в кольцевом воздушном зазоре при тряске, ударах или в результате рабочих эволюции.
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемой полезной модели является ортодинамический громкоговоритель, патент США 24480155, Кл. США 179-115, Кл. МПК H 04 R 9/00. Начало действия патента 23.10.1984 г. Выдан фирме «Magnepan Inc», США. В этом громкоговорителе капсюль установлен в корпусе, имеющем акустический выход. Капсюль содержит плоскую, туго натянутую мембрану, установленную между двумя идентичными, встречно намагниченными
магнитными системами. Каждая магнитная система состоит из кольцевого постоянного магнита с осевой намагниченностью, расположенного по периферии магнитной цепи, и центрального цилиндрического постоянного магнита с осевой намагниченностью. Этот центральный магнит намагничен в противоположную относительно кольцевого магнита сторону. Между упомянутыми магнитным системами образован плоский воздушный зазор, в котором действует радиально направленное магнитное поле с плоскостью симметрии, параллельной плоскостям полюсов упомянутых магнитных систем. Внутри этого зазора, в плоскости симметрии установлена упомянутая туго натянутая мембрана, на обеих сторонах которой выполнены плоские спиральные токопроводящие катушки, электрически соединенные между собой и подключенные к электронной (электрической) цепи питания громкоговорителя. Витки катушек расположены геометрически нормально к силовым линиям.
Этот аналог обладает большей механической и температурной надежностью относительно вышеприведенных аналогов «ДЭМШ-18» и «МДМ-2», достаточно широкой полосой воспринимаемых частот и более равномерной амплитудно-частотной относительно «ДЭМШ-1А» характеристикой.
Недостатком прототипа заявляемой полезной модели - шумостойкого электродинамического микрофона - является отсутствие шумостойкости, т.е. подавления внешних акустических шумов.
Целью создания заявляемой полезной модели шумостойкого электродинамического микрофона является повышение механической, температурной (термической) надежности, в особенности при воздействии температуры ниже -50°С, а также устойчивости к воздействию влаги; обеспечение шумостойкости: подавления внешних акустических шумов.
Поставленная цель достигается тем, что заявляемый в качестве полезной модели шумостойкий электродинамический микрофон содержит корпус, содержащий фронтальную и тыльную платы - крышки с отверстиями фронтального и тыльного акустических входов микрофона, в которых установлены акустические сопротивления, пыле- и брызгозащитные тканевые мелкоячеистые сетки, а также содержащий капсюль, содержащий в свою очередь акустически чувствительную мембрану с периферическим установочным воротником на обеих сторонах которой установлены плоскоспиральные катушки, электрически соединенные последовательно между собой; две идентичные, встречно намагниченные магнитные системы, каждая из которых состоит из постоянного и кольцевого магнита с осевой намагниченностью, расположенного по периферии упомянутой магнитной системы, центрального цилиндрического постоянного магнита с осевой намагниченностью в сторону, противоположную относительно кольцевого постоянного магнита и магнитомягкой платы, на которой установлены упомянутый кольцевой и центральный цилиндрический постоянные магниты, содержащей в зоне между упомянутыми кольцевым и цилиндрическим постоянными магнитами осевые звукопроводящие отверстия, с установленными в них акустическими сопротивления. При этом, упомянутая акустическая мембрана с установленными на ней плоскоспиральными катушками установлены в плоском воздушном зазоре между упомянутыми магнитными системами в основном в плоскости симметрии этого воздушного зазора, совпадающей с плоскостью симметрии радиального магнитного поля, созданного упомянутыми магнитными системами в упомянутом плоском воздушном зазоре; два магнитомягких разделительных кольца, установленных по периферии упомянутых кольцевых магнитов, так что упомянутая акустически
чувствительная мембрана зажата своим установочным воротником между этими кольцами.
Заявляемая полезная модель отличается тем, что фронтальная и тыльная платы - крышки содержат отверстия акустических фронтального и тыльного акустических входов, расположенных в основном симметрично относительно упомянутой плоскости симметрии капсюля и симметрично относительно оси упомянутого капсюля совпадающей с осью микрофона. Другим отличительным признаком является установка в упомянутых отверстиях фронтального и тыльного акустических входов акустических сопротивлений пыле- и брызгозащищающих тканных мелкоячеистых сеток.
Третьим отличительным признаком заявляемой полезной модели является установка акустических сопротивлений в упомянутых сквозных отверстиях в упомянутых магнитных платах.
Четвертым отличительным признаком является выполнение плоскоспиральных катушек, установленных на упомянутой акустически чувствительной мембране методом печатного монтажа.
Техническим результатом создания заявляемой полезной модели является обеспечение большей механической и температурной надежности, а также влагостойкости по отношению к существующим шумостойким микрофонам, а также обеспечение большей технологичности изготовления отдельных деталей, сборочных единиц и сборки шумостойкого микрофона целиком. Кроме того, обеспечивается пыле- и брызгозащита.
Другие технические результаты не исследовались.
Перечень фигур чертежей, поясняющих сущность заявляемого технического решения.
Фиг.1 - Шумостойкий электродинамический микрофон (осевое сечение).
Фиг.2 - Звукочувствительная мембрана с плоскоспиральной катушкой. Кабинетная проекция: сечение
Заявляемый шумостойкий электродинамический микрофон содержит корпус 1 с фронтальной крышкой-платой и тыльной крышкой-платой 3. Во фронтальной крышке-плате 2 выполнены отверстия 4 фронтального акустического входа, на которых установлены тканные мелкоячеистые сетки 5, предохраняющие микрофон от попадания внутрь пыли и брызг. В тыльной крышке-плате 3 выполнены отверстия 6 тыльного акустического входа, на которые установлены тканные мелкоячсистые сетки 7.
Внутри корпуса 1 установлен капсюль 8 завальцованный в кожух 9. Капсюль 8 состоит из 2 идентичных магнитных цепей 10 и 11, намагниченных вдоль оси «0-0» встречно друг другу. Магнитная цепь 10 состоит из кольцевого постоянного магнита 12 и центрального цилиндрического постоянного магнита 13. Эти магниты намагничены вдоль оси «0-0» навстречу друг другу и установлен на магнитомягкой плате 14.
Магнитная цепь 11, идентичная магнитной цепи 10, состоит из кольцевого постоянного магнита 15 и центрального цилиндрического постоянного магнита 15 и центрального цилиндрического постоянного магнита 16, установленных на магнитомягкой плате 17-а намагниченных вдоль оси «0-0» навстречу друг другу.
Магнитные цепи 10 и 11, завальцованные в кожух 9, намагничены встречно, так что кольцевые магниты 12 и 15 обращены друг к другу одноименными полюсами, например, южными (S), а центральные цилиндрические магниты 13 и 16 другими одноименными полюсами, например, северными (N). Магнитомягкие платы 14 и 17 в своей средней зоне, расположенной в обоих платах идентично,
т.е. между кольцевым и центральным цилиндрическим магнитами имеют отверстия 18, 19, на которых установлены акустические сопротивления 20, 21. Магнитные цепи 10 и 11 отделены друг от друга магнитомягкими калиброванными по толщине разделительными кольцами 22 и 23 между которыми зажата мембрана 24 из немагнитного материала, например, из стеклотекстолита, на которой на обоих ее поверхностях методом печатного монтажа установлены последовательно соединенные между собой плоскоспиральные катушки 25 и 26, электрические выводы (не показаны) которых выведены из корпуса 1 для подключения к внешней цепи (не показана) микрофона.
Мембрана 24 с катушками, зажатая по краю между разделительными кольцами 22 и 23 расположена в воздушном зазоре 27 в плоскости симметрии этого зазора (не позиционирована). В этом же зазоре действует радиально направленное магнитное поле, силовые линии которого в основном геометрически нормальны к плоскоспиральным виткам плоскоспиральных катушек 25 и 26. Плоскость симметрии радиального магнитного поля в основном совпадает с плоскостью симметрии воздушного зазора 27.
Работает заявляемый шумостойкий электродинамический микрофон следующим образом. Полезный акустический сигнал близкого источника (не показан) поступает на микрофон в направлении оси «0-0» в виде сферических волн. Эти волны через фронтальный и тыльный входы, а именно через отверстия 4 и 5 и отверстия 18 и 19 в магнитных платах 14 и 17 воздействуют на мембрану 24 и мембрана колеблется в воздушном зазоре 27 вдоль оси «0-0» так, что витки спиральноплоских катушек 25 и 26 пересекают силовые линии магнитного поля в упомянутом зазоре под прямым углом. Вследствие разности хода сферических акустических волн от близкого источника разность акустического давления приводит упомянутую
мембрану в движение. Акустические волны шумовых источников, которые расположены существенно дальше близкого источника полезного сигнала, имеет практически плоскую форму. Разность хода этих волн фронтального и тыльного входов существенно меньше разности хода для сферических волн полезного источника и мембрана от воздействия этих волн имеет существенно меньшую амплитуду колебаний, в результате чего происходит шумоподавление внешних акустических шумов.
При колебаниях мембраны 24 в направлении оси «0-0» виток спиральноп-лоских катушек 25 и 26 пересекают силовые линии радиального магнитного поля в воздушном зазоре 27 между магнитными системами 10 и 11 под прямым углом;
в результате, в этих витках индуцируется ЭДС с частотой акустического сигнала и с амплитудой, пропорциональной разности акустических давлений на обе стороны мембраны.
Силовые линии магнитного поля, направленные от северного (N) полюса центрального цилиндрического постоянного магнита, к южному (S) полюсу кольцевого постоянного магнита каждой магнитной системы, концентрируются, в основном, в зазоре 27 между магнитными системами 10 и 11 и магнитное поле имеет в основном плоско-радиальную симметричную относительно плоскости симметрии воздушного зазора 27 форму. При этом, максимальная индукция магнитного поля действует в плоскости симметрии радиального магнитного поля, что обеспечивает максимально- возможную чувствительность микрофона и его минимальный коэффициент нелинейных искажений. Туго натянутая мембрана 24, колеблющаяся в зазоре 27 обеспечивает минимальную неравномерность амплитудно-частотной характеристики микрофона.
Отсутствие магнитных частей в мембране 24 и в катушках 25 и 26 предотвращает «залипание» мембраны (притяжение к магнитам с прилипанием к одному из них). Витки катушек 25 и 26 каждый прочно соединены с мембраной 24, что обеспечивает невозможность разрушения этих катушек: отсоединение от мембраны и отделение одного витка от другого, как это возможно в бескаркасных цилиндрических катушках 11-го аналога. Конструкция микрофона не требует центровки цилиндрической катушки в магнитном зазоре 11-го аналога, а потому невозможна расцентровка и соприкосновение катушки со стенками воздушного зазора магнитной цепи, как у 11-го аналога.
Микрофон не боится воздействия низких температур (ниже -50°С), поскольку невозможно вспучиванис мембраны 24 в воздушном зазоре 27 капсюля, как у температуры после воздействия на микрофон низкой температуры.
Микрофон не изменяет своих электроакустических параметров при воздействии на него вибрации, ударов и транспортной тряски в режимах по ГОСТ. Опытный образец был изготовлен предприятием разработчиком: ОАО «ОКБ «Октава» и испытан в этом же предприятии. Испытания подтвердили указанные технические результаты. Иные технические результаты не рассматривались и при испытаниях не проверялись.