Учебное пособие 1559

Рис. 4. Схема подключения электретного микрофона

Как правило, мембрана электретных микрофонов имеет большую толщину и меньшую площадь, из-за чего характеристики таких микрофонов зачастую уступают характеристикам конденсаторных.

Динамические микрофоны — микрофоны, схожие по конструкции и обратные по принципу действия динамическим громкоговорителям (динамикам). Данные микрофоны представляют собой мембрану, соединённую с проводником, который помещен в сильное магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом. Звуковые колебания воздействуют на мембрану и приводят в движение проводник. Когда проводник пересекает силовые линии магнитного поля, в нём наводится ЭДС индукции. ЭДС индукции пропорциональна как амплитуде колебаний мембраны, так и частоте колебаний. В отличие от конденсаторных динамические микрофоны не требуют фантомного питания. По конструктивному исполнению динамические микрофоны делятся на катушечные и ленточные. В электродинамическом микрофоне катушечного типа (рис. 5) мембрана механически жёстко соединена с катушкой, находящейся в кольцевом зазоре магнитной системы (аналогично динамикам). При колебаниях диафрагмы под действием звуковой волны витки катушки пересекают магнитные силовые линии, и в катушке наводится переменная ЭДС. На данный момент это один из наиболее распространенных типов микрофонов наряду с электретными.

11

Рис. 5. Конструкция динамического микрофона катушечного типа

В электродинамическом микрофоне ленточного типа (рис. 6) вместо катушки в магнитном поле располагается гофрированная ленточка из алюминиевой фольги. Считается, что подобная конструкция способствует более точной записи высокочастотного диапазона. Кроме того, данные микрофоны в основной своей массе имеют двустороннюю диаграмму направленности, подходящую для записи «стерео».

Рис. 6. Конструкция микрофона ленточного типа

Следует помнить, что в силу своей конструкции, ленточные микрофоны зачастую более требовательны к условиям хранения, а также могут иметь невысокий порог верхнего звукового давления. В некоторых случаях, например, банальное хранение на боку может привести к растяжению ленты и невозможности работы микрофона.

12

Угольный микрофон — микрофон, модуляция акустических колебаний в котором осуществляется посредством изменения сопротивления проводящего материала из угольного порошка, либо изменением площади контакта угольного стержня особой формы. Ввиду низких характеристик угольные микрофоны сейчас практически не используются (рис. 7). В прошлом наибольшее распространение ранее получили угольные микрофоны, представляющие из себя герметичную капсулу, содержащую две металлические пластины и заключенный между ними угольный порошок. Стенки капсулы или одна из металлических пластин соединяется с мембраной. При изменении давления на угольный порошок изменяется площадь контакта между отдельными зёрнышками угля, и, в результате, изменяется сопротивление между металлическими пластинами. Если пропускать между пластинами постоянный ток, напряжение между пластинами будет зависеть от давления на мембрану.

Рис. 7. Конструкция угольного микрофона

Оптоакустический микрофон — микрофон, в котором для регистрации акустических колебаний той или иной среды используется свет (рис. 8).

Чаще всего используются отражения света лазера от того или иного рабочего тела, из-за чего подобные микрофоны иногда называют лазерными микрофонами. Существуют

13

варианты в небольшом корпусе с жёстко закреплённой мембраной, колебания которой регистрируются посредством фиксации отражённого под углом лазерного излучения. Данный тип микрофонов достаточно специфичен и имеет свои узконаправленные сферы применения.

Рис. 8. Строение оптоакустического микрофона

Пьезоэлектрические микрофоны — микрофоны, работающие на пьезоэлектрическом эффекте. При деформации пьезоэлектриков на их поверхности возникают электрические заряды, величина которых пропорциональна деформирующей силе. Пластинки из искусственно выращенных кристаллов служат основным рабочим элементом пьезоэлектрических микрофонов (рис. 9).

Рис. 9. Конструкция пьезоэлектрического микрофона

С помощью микрофона возможно измерить уровень шума в рабочем или жилом помещениях. Шум звукового диапазона замедляет реакцию человека на поступающие от

14

технических устройств сигналы, это приводит к снижению внимания и увеличению ошибок при выполнении различных видов работ. Шум угнетает центральную нервную систему, а также вызывает изменения скорости дыхания и пульса, поэтому существуют определённые санитарные нормы допустимого уровня шума на рабочих местах, в жилых помещениях, общественных зданиях и учебных заведениях (табл. 2).

Таблица 2 Санитарные нормы допустимого уровня шума

1.3. Измерение температуры

Терморезистор (термистор) – полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от его температуры.

Терморезисторы изготавливаются из материалов с высоким температурным коэффициентом сопротивления, который обычно на порядки выше, чем у металлов и металлических сплавов.

15

Наиболее распространенные терморезисторы изготавливаются в виде полупроводникового стержня, покрытого эмалевой краской (рис. 10). К нему подводятся выводы и контактные колпачки, использующиеся только в сухой среде. Отдельные конструкции терморезисторов помещаются в герметичном металлическом корпусе. Они могут свободно применяться в помещениях с любой влажностью и легко переносят влияние агрессивной среды. Герметичность конструкции обеспечивается с помощью стекла и олова. Стержни в таких терморезисторах оборачиваются металлической фольгой, а для токоотвода используется никелевая проволока.

Рис. 10. Конструкции терморезисторов серий КМТ (а) и ММТ (б): 1 – полупроводниковый стержень; 2 – контактные колпачки; 3 – выводы; 4 – металлическая фольга; 5 – стержень; 6 – металлический корпус; 7 – токоотвод из тонкой проволоки; 8 – герметизация стеклом; 9 – герметизация оловом

Номинальные значения сопротивлений терморезисторов находятся в диапазоне от 1 до 200 кОм, а их температурный диапазон находится в пределах от -100 до +129 °С.

Для измерения температуры различных типов объектов и сред, а также в качестве датчика температуры в автоматизированных системах управления используется специальное устройство – термопара (рис. 11). Оно представляет собой пару проводников

16

(термоэлектродов) из различных материалов, соединенных на одном конце, места соединения называются спаями.

Рис. 11. Конструкция термопары

Принцип действия основан на эффекте Зеебека (термоэлектрическом эффекте). Между соединёнными проводниками имеется контактная разность потенциалов; если стыки связанных в кольцо проводников находятся при одинаковой температуре, сумма таких разностей потенциалов равна нулю. Когда же стыки находятся при разных температурах, разность потенциалов между ними зависит от разности температур. Коэффициент пропорциональности в этой зависимости называют коэффициентом термо-ЭДС. У разных металлов коэффициент термо-ЭДС разный и, соответственно, разность потенциалов, возникающая между концами разных проводников, будет различная. Помещая спай из металлов с отличными от нуля коэффициентами термо-ЭДС в среду с температурой Т1, мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре Т2, которое будет пропорционально разности температур Т1 и Т2.

Чаще всего термопары изготавливают из таких сплавов металлов, как: платина-родий, хромель-константан, хромельалюмель. Термопары из вольфрам-рениевого сплава являются самыми высокотемпературными контактными датчиками температуры. Такие термопары незаменимы в металлургии для контроля температуры расплавленных металлов.

17

1.4. Измерение влажности воздуха

Влажность воздуха – это величина, характеризующая содержание водяных паров в атмосфере.

Для обозначения содержащейся в воздухе влаги используются следующие величины:

абсолютная влажность воздуха — количество влаги, содержащейся в одном кубическом метре воздуха. Абсолютная влажность используется тогда, когда нужно сравнить количество воды в воздухе при разных температурах или в большом диапазоне температур. Но в связи с тем, что при определённой температуре воздуха в нём может максимально содержаться только определённое количество влаги (с увеличением температуры это максимально возможное количество влаги увеличивается, с уменьшением температуры воздуха максимальное возможное количество влаги уменьшается), ввели понятие относительной влажности;

относительная влажность — отношение парциального давления паров воды в газе (в первую очередь, в воздухе) к равновесному давлению насыщенных паров при данной температуре. Измеряется в процентах и определяется по формуле:

,

где RH – относительная влажность рассматриваемой смеси (воздуха); – парциальное давление паров воды

в смеси; – равновесное давление насыщенного пара. Давление насыщенных паров воды сильно растёт при

увеличении температуры. Поэтому при изобарическом (то есть при постоянном давлении) охлаждении воздуха с постоянной концентрацией пара наступает момент (точка росы), когда пар насыщается. При этом «лишний» пар конденсируется в виде тумана или кристалликов льда. Процессы насыщения и конденсации водяного пара играют огромную роль в

18

физике атмосферы: процессы образования облаков и образование атмосферных фронтов в значительной части определяются процессами насыщения и конденсации, теплота, выделяющаяся при конденсации атмосферного водяного пара, обеспечивает энергетический механизм возникновения и развития тропических циклонов (ураганов).

В повседневной жизни влажность выступает немаловажным параметром. В частности, от степени влажности воздуха зависит самочувствие человека. Особенно чувствительными к влажности являются люди, страдающие гипертонической болезнью, бронхиальной астмой, заболеваниями сердечно сосудистой системы. Поэтому необходимо знать, какой в норме должен быть влажностный показатель (табл. 3), чтобы контролировать его и при необходимости повышать или понижать.

Таблица 3 Норма влажности согласно государственным нормативам

Прибор, которым измеряют уровень влажности, называется гигрометром или датчиком влажности. По принципу действия датчики влажности делятся на емкостные, резистивные, термисторные, оптические, электронные. Резистивные датчики влажности (рис. 12) фиксируют изменения электрического сопротивления гигроскопической среды (например, проводящего полимера, соли или обработанной подложки). Такой датчик включает в себя два электрода, которые нанесены на подложку, а поверх на сами электроды нанесен слой материала, который отличается достаточно малым сопротивлением, однако сильно меняющимся в зависимости от влажности.

19

Рис. 12. Устройство резистивного датчика влажности

Подходящим материалом в устройстве может выступать оксид алюминия, который является полупроводником. Данный оксид хорошо поглощает из внешней среды воду, при этом удельное сопротивление его заметно изменяется. В результате общее сопротивление цепи измерения такого датчика будет значительно зависеть от влажности. Так, об уровне влажности станет свидетельствовать величина протекающего тока. Достоинство датчиков такого типа – их низкая стоимость.

2. Используемое оборудование

Используемое оборудование: DT-8820 Измеритель па-

раметров окружающей среды

Цифровой тестер окружающей среды 4 в 1 (рис. 13) включает в себя функции измерителя уровня шума, измерителя уровня освещения, измерителя влажности и температуры. Это идеальный многофункциональный тестер окружающей среды для профессионального и домашнего использования.

Функция измерителя уровня шума используется для проведения измерений на заводах, фабриках, в школах, офисах аэропортах, жилых помещениях и т.д. проверки акустики студий, аудиторий и hi-fi установок.

Функция измерения уровня освещения используется для измерения освещения даже в полевых условиях. Точно измеряет уровень освещения, попадающий на прибор под углом. Светочувствительный компонент, используемый в приборе, - очень стабильный силиконовый диод с долгим сроком службы. Функция

20