автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.06, диссертация на тему:Теория и методы проектирования современных направленных и комбинированных микрофонов

На правах рукописи

ВАХИТОВ Шакир Яшэрович

Теория и методы проектирования современных направленных и комбинированных микрофонов

Специальность: 05.11.06 - Акустические приборы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 2003

Работа выполнена на кафедре акустики в Санкт-Петербургском государственном университете кино и телевидения.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Аббакумов Константин Евгеньевич;

доктор технических наук Майоров Василий Семенович;

доктор технических наук, профессор Митько Валерий Браниславович.

Ведущая организация: ООО «Неватон».

Защита состоится 13 ноября 2003 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д210.021.01 в Санкт-Петербургском государственном университете кино и телевидения по адресу: 192102, Санкт-Петербург, ул. Бухарестская, д. 22.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета кино и телевидения.

Автореферат разослан

2003г.

Ученый секретарь диссертационного

2oof-А

Принятые сокращения:

ЧХЧ - частотная характеристика чувствительности;

ХН - характеристика направленности; ЧПХЧ- частотно-пространственная характеристика чувствительно-

■ ЭЭС - эквивалентная электрическая схема; КМ - конденсаторные микрофоны; ОКМ - однонаправленный (одномембранный); ДКМ - двухмембранный (акустически комбинированный); НКМ - ненаправленный;

ОДМ - однонаправленный динамический (катушечный) микрофон; НЭ - неподвижный электрод; МЦ - магнитная цепь; ПС - подвижная система; ФСЦ - фазо-сдвигающая цепочка] СЗУ - система звукоусиления; СЧ, НЧ, ВЧ- средние, низкие, высокие частоты; АОС - акустическая обратная связь; НИ; ГИ - нелинейные, гармонические искажения; ТЗ - техническое задание: ТСС - журнал «Техника средств связи»; ТРПА - Техника радиовещательного приема и акустики; ВНТК - Всесоюзная (Всероссийская) научно-техническая конференция;

ТКТ - журнал «Техника Кино и телевидения»; JAES - Journal of Audio Engineering Society.

сти;

I. Общая характеристика работы.

Актуальность проблемы и предмет исследования.

В профессиональной звукотехнике наиболее широкое применение нашли микрофоны с односторонней характеристикой направленности (ХН), а также комбинированные (с возможностью оперативного изменения ХН). По принципу преобразования сигнала это одномембранные конденсаторные микрофоны (ОКМ) и двухмембранные (ДКМ), а также однонаправленные динамические катушечные (ОДМ). Ориентировочно перечисленные типы микрофонов составляют 93 - 95% всех микрофонов, используемых в студиях звукозаписи и системах звукоусиления.

Литература по технике и теории микрофонов насчитывает значительное количество работ, посвященных тем или иным аспектам приема и преобразования звука, расчету отдельных параметров микрофонных капсюлей, моделированию их акустико-механических систем. Однако до последнего времени, как у нас в стране, так и за рубежом, разработка однонаправленных и комбинированных микрофонов, являющихся акустически наиболее сложными (по сравнению, например, с ненаправленными КМ или двусторонненаправленны-ми), проводится, в основном, методами физического моделирования, осуществляемого путем последовательного эмпирического подбора отдельных конструктивных элементов. Последнее требует длительных и трудоемких экспериментов, эксплуатации дорогого измерительного оборудования. С другой стороны, такой подход, во-первых, не гарантирует получения оптимальных, по совокупности требований ТЗ, параметров; во-вторых, часто приводит к появлению неоправданно сложных для технологического воплощения результатов; в-третьих,

существенно затягивает и удорожает процесс разработки.

В современных экономических условиях (отсутствия у предприятий значительных собственных средств, длительного внешнего финансирования,

жесткой конкуренции со стороны зарубежных фирм) разработка успевает потерять актуальность, если от постановки задачи создания новой модели до выпуска партии изделий проходит более 3-4 месяцев, т.к. заказчик переключается на готовую модель другой фирмы, пусть даже более дорогую и менее технически подходящую для его целей.

Разрыв существующих в настоящее время теоретических результатов и практики разработки микрофонов объясняется также тем, что решение каждой частной проблемы, пусть и в корректной с математической точки зрения постановке, осуществляется обычно на основе специфических приемов интерпретации, которые трудно согласовать между собой, когда дело касается решения инженерной задачи проектирования конкретного устройства в целом. В теоретических работах часто делается ряд недостаточно обоснованных допущений, приводящих далее, при попытках практического использования, к неправильным результатам. В других случаях математический результат получается настолько сложным для физического осмысления, что становится неприемлемым для задач проектирования, решаемых обычно инженером. Наконец, целый ряд физических явлений, имеющих место в микрофонах, игнорируется и остается до сих пор за рамками теоретического рассмотрения.

В восьмидесятые годы появился ряд работ, посвященных вопросам проектирования некоторых типов микрофонов. К сожалению, в большинстве из них опускаются достаточно важные моменты теории, а в некоторых содержится и весьма произвольная трактовка исследуемых явлений, не выдерживающая серьезной критики.

Нужды развития данной отрасли техники, причем не столько сегодняшнего, сколько завтрашнего дня, требуют как проведения целого ряда дополнительных исследований, так и систематизации полученных ранее теоретических результатов, применительно к практическому решению задач комплексного акустического проектирования микрофонов.

Цель и задачи исследования.

Целью настоящей работы является разработка на системной основе современной теории направленных и комбинированных микрофонов, адекватно отображающей картину физических явлений, реально влияющих на характеристики микрофонов на разных этапах преобразования звукового сигнала в электрический; создание на этой основе методов комплексного аналитического проектирования наиболее широко распространенных типов профессиональных микрофонов.

Для достижения этой цели в работе решаются следующие основные задачи:

1. Обоснование необходимости разработки комплексной системной модели наиболее сложных-в акустическом отношении микрофонов.

2. Выявление в каждой подсистеме физических факторов, не рассмотренных ранее в литературе или недостаточно досконально исследованных, но оказывающих значительное влияние на какие-либо параметры и характеристики микрофонов.

3. Исследование и математическая интерпретация этих физических явлений, установление их связи с акустическими, конструктивными, электрическими и механическими параметрами микрофонов.

4. Количественное сопоставление значимости этих факторов для различных типов микрофонов и на различных участках частотного и динамического диапазона.

5. Построение системных аналитических моделей различных типов микрофонов, учитывающих в комплексе все количественно значимые для их характеристик физические факторы.

6. Создание методов расчетного проектирования наиболее распространенных типов микрофонов, оптимально отвечающих совокупности заданных требований.

Методы и теоретические основы исследования.

Основу исследований, проводимых в настоящей работе, составили научные труды отечественных и зарубежных авторов, внесших значительный вклад в акустику, электроакустику, теорию приемников звука:

A.A. Харкевича, В.В. Фурдуева, С.Н. Ржевкина, Д.В. Стретта (Релея), Ф. Морза, Е. Скучика, JI. Беранека, А.Е. Робертсона, И.Б. Крендалла, Олсона, Л.Я. Гутина,

B.К. Иофе, Я.Ш. Вахитова, А.Г. Римского-Корсакова, М.А. Сапожкова и других.

В основе системного подхода, развиваемого в настоящей работе по отношению к микрофонам, лежит идея структурного анализа электроакустических аппаратов, предложенная A.A. Харкевичем. Для решения ряда частных задач в работе использовались принцип акустической взаимности Гюйгенса, теорема Бабине, методы математической физики, теории упругости оболочек, метод электромеханических аналогий Белова, методы анализа электрических цепей, приближенные методы решения нелинейных уравнений, энергетические методы замещения распределенных систем эквивалентными им с сосредоточенными параметрами. В экспериментальной части использовались известные методы измерения электроакустических параметров микрофонов в звукомерной заглушённой камере (ЗЗК), установках" «бесконечная труба», «труба-резонатор», «камера малого объема».

Научная новизна исследования.

1. Поставлена и решена задача построения системной аналитической модели акустически сложных типов микрофонов (несимметричных приемников разности давлений и акустически комбинированных приемников), адекватно отражающая количественно значимые физические явления, происходящие на разных этапах преобразования звука в электрический сигнал.

2. Введено и обосновано новое научно-техническое понятие - частотно-пространственная характеристика чувствительности (ЧПХЧ) микрофона,

дающее комплексное, синтезированное представление о связи частотных и пространственных свойств акустически сложных приемников звука.

3. Развиты научные представления о ряде физических факторов, влияющих на различные параметры и характеристики микрофонов, неотмеченные или неисследованные ранее в литературе:

- выявлены и исследованы причины осевой асимметрии характеристики направленности нескольких типов приемников звука;

- исследована угловая зависимость эквивалентной геометрической разности хода различных типов направленных приемников; полученные выражения учитывают, в отличие от классических представлений, влияние поперечных размеров и- особенности конструкции реальных типов микрофонов;

- выявлен и исследован ряд ранее неисследованных физических факторов, приводящих к нелинейным искажениям на разных этапах преобразования больших звуковых давлений в электрический сигнал в капсюлях КМ, таких как нелинейность упругости мембран, фрикционного слоя, статического смещения.

4. Предложены принципиальные конструкции и научно обоснованы методы создания новых типов комбинированных микрофонов:

- остронаправленной биградиентно-интерференционной микрофонной системы, предназначенной для работы в условиях сильных шумов и вибраций;

- акустически комбинированного одномембранного конденсаторного микрофона без фазо-сдвигающей акустико-механической цепочки.

5. Впервые в аналитическом виде получено решение следующих задач теоретической акустики, имеющих прикладное значение в области электроакустики:

- определение коэффициента дифракции при произвольном угле падения звука из переднего полупространства (0°< 0 < 90°) на чувствительную поверхность, расположенную на торце цилиндра или диска, а также для

«теневой дифракции» (9 = 180°), что важно для моделирования пространственных характеристик;

- колебания круглой натянутой мембраны под действием неравномерно распределенной по ее поверхности силы, что имеет место в акустически комбинированных конденсаторных микрофонах;

- колебаний неоднородной круглой пластины (с жесткой центральной частью), на основе решения которой получены аналитические соотношения для расчета эквивалентной гибкости и эквивалентной площади куполообразной диафрагмы с тороидальным гофром, хорошо согласующиеся с классическими представлениями и данными экспериментов с подвижными системами динамических микрофонов.

6. На основе решения ряда теоретических задач, результаты которых хорошо согласуются с экспериментальными данными, создана комплексная теория направленных и комбинированных микрофонов. Получены аналитические выражения для ЧПХЧ различных типов микрофонов, определяющие функциональную зависимость чувствительности от угла падения звука, волновых размеров микрофона и его акустических входов, соотношения геометрической разности хода и рабочего расстояния от источника звука, частотной зависимости импеданса акустико-механического звена и коэффициента 'электромеханической связи.

7. Впервые исследован ряд вопросов теории остронаправленных микрофонных систем интерференционного и биградиентно-интерференционного типов, связанных с определением угловой зависимости ХН в области низких частот, обоснованием требований к акустико-механическому звену составляющих систему капсюлей-приемников разности давлений, конструкции интерференционной трубки.

8. Впервые проведен системный анализ причин нелинейных искажений в капсюлях КМ, позволяющий построить комплексные нелинейные аналитические модели их чувствительности. На основе аппроксимации этих моделей

получены достаточно простые аналитические соотношения, позволяющие вычислить уровневую и частотную зависимость ГИ для различных типов капсюлей КМ с точностью, соизмеримой с погрешностью акустических измерений.

9. Впервые проведено системное исследование характера изменений совокупности основных электроакустических параметров микрофонов различного типа приема и преобразования при их миниатюризации.

Практическая значимость работы.

Разработаны комплексные аналитические модели и методы проектирования наиболее широко применяемых типов профессиональных микрофонов:

- односторонненаправленного динамического катушечного (ОДМ);

- одномембранного однонаправленного конденсаторного микрофона (ОКМ);

- двухмембранного (акустически комбинированного) конденсаторного микрофона (ДКМ);

- одномембранного акустически комбинированного конденсаторного микрофона, включающего методы проектирования ненаправленного и двунаправленного приемников звука как составные части.

Разработанные методы позволяют:

- повысить качество разработок путем нахождения конструктивных решений, оптимально реализующих совокупность заданных электроакустических параметров;

- снизить себестоимость разработки за счет значительного сокращения трудоемкой и дорогостоящей процедуры физического макетирования микрофонов и эмпирической отработки их параметров, экономии материальных затрат, сокращения времени разработки в целом;

- произвести оценку корректности всей совокупности задаваемых заказчиком требований путем определения их реализуемости еще на предварительной стадии разработки;

- избежать сложных конструктивных решений, часто имеющих место при эмпирическом подходе к разработке;

- оптимизировать конструкцию, а значит^ и технологический процесс изготовления серийных изделий;

- задавать научно обоснованные требования к параметрам и характеристикам микрофонов различного назначения на стадии ТЗ, а также в нормативно-технической документации и стандартах;

- оперативно реагировать на потребности рынка в создании и промышленном выпуске новых моделей микрофонов, конкуренто-'способных на внутреннем и внешнем рынке.

Реализация и внедрение результатов работы.

Результаты диссертационной работы в виде методов проектирования, аналитических соотношений для расчета отдельных параметров и элементов микрофонов, научно обоснованных рекомендаций реализованы при проведении следующих ОКР, выполнявшихся во ВНИИРПА им. А.С.Попова с 1986 по 1994 год, в ООО «Микрофон -М» с 1995 по 2002 год при личном участии и под руководством автора. , '

1. Конденсаторные микрофоны, предназначенные для профессиональной звукозаписи, звукопередачи и звукоусиления музыки и речи в студиях и концертных залах:

- МКЭ-113 (после модернизации - МКЭ-13М) с кардиоидной ХН, первый отечественный студийный микрофон с электретным неподвижным электродом;

- МК-120С - двухкапсюльный стереофонический конденсаторный двухмем-бранный микрофон с переключаемыми характеристиками направленности;

- МКЭ - 30 - с тремя сменными капсюлями с ХН «круг», «кардиоида», «суперкардиоида».

2. Микрофоны конденсаторные элекгретные остронаправленные МКЭ-28, МКЭ-29, МКЭ-31, предназначенные для репортажей, интервью в условиях повышенного шума, а также для работы совместно с видео- и кинокамерами профессионального назначения.

3. Микрофоны конденсаторные электретные, миниатюрные с суперкардиоид-ной характеристикой направленности, предназначенные для высококачественных систем звукоусиления речи, связи, конференцсистем:

- МКЭ-32 - с встроенной ветрозащитой;

- МКЭ-33 - диаметром 13мм;

- МКЭ-35 - диаметром 10мм.

4. Миниатюрные конденсаторные электретные микрофоны с ненаправленной ХН:

- МКЭ-19 - петличный;

- МКЭ-36 - для измерительно-вычислительного комплекса,

5. Микрофоны динамические катушечные с суперкардиоидной ХН для высококачественных СЗУ речи, связи, конференцсистем:

- МД-91 и его конструктивные модернизации МД-92 и МД-93;

- МД-98 с расширенной в области НЧ частотной характеристикой чувствительности;

- МД-99 - с уменьшенным диаметром капсюля;

- МД-97 - с встроенным виброамортизатором для использования в руках. Все вышеперечисленные модели выпускаются в настоящее время (кроме

МКЭ-19 и МК-120С) предприятием «Микрофон - М». Ими оснащены залы заседаний Верховного суда России, Федерального Собрания, Государственной Думы, Правительства России, ряд радио- и телецентров России и республик СНГ. Эти микрофоны широко используются в студиях звукозаписи Великобритании, Дании, Испании, Португалии, Голландии, США, Австралии и других стран, что подтверждается публикациями в зарубежных журналах: Studio

Sound (April 1995, Dec. 1997); Audio Media (April and Aug. 1997); Australial Digital; Play Record (Feb. 1998); Midas Heritage (Feb. 2000) и др.

Внедрение результатов в промышленное производство подтверждено соответствующими актами, а также информационно-техническими статьями ряда журналов [23, 25 - 27].

Обоснованные в работе критерии реализации ЧПХЧ и их нормы использованы при разработке действующих стандартов на методы измерений электроакустических параметров микрофонов (ГОСТ 16123-88) и общие технические условия (ГОСТ 6495-89), одним из разработчиков которого является автор настоящей диссертации [18].

Апробация работы.

Отдельные положения и результаты, полученные в работе на разных стадиях ее выполнения^ докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях и семинарах:

- XIX, XX, XXI, XXII Всесоюзных научно-технических конференциях «Перспективы развития техники радиовещательного приема и акустики», Л., в 1981, 1983, 1985, 1988 гг.;

- X Всесоюзной акустической конференции. М., 1983г;

- Всесоюзной школе-семинаре по электроакустике «ЭЛА» общества им. А.С.Попова и Союза кинематографистов, М-Л., 1982, 1984, 1985, 1987гг;"

- II Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы цифровой звукотехники». Л., 1990г;

- Конференции Всесоюзной ассоциации акустиков (ВАА) «Развитие научно-технического прогресса. Электроакустика и звукотехника». Севастополь, 1991г.;

- Всероссийской научно-практической конференции «Перспективы развития радиоприемной, электроакустической студийной и звукоусилительной техники. ЦРЛ-ИРПА - 70 лет», С-Пб, 1993г.;

- AES 21 st international conference ARCHITECTURAL ACOUSTICS AND SOUND REINFORCEMENT; 2002 June 1-3 St. Petersburg. Результаты исследований также нашли применение в учебном процессе, в частности в курсах лекций, читаемых автором в Государственном университете кино и телевидения «Электроакустическая аппаратура», «Расчет и конструирование электроакустической аппаратуры», курсовом проекте «Направленный динамический микрофон», ряде дипломных работ и проектов выпускников, монографии [28].

Основные положениявыносимые на защиту.

1. Метод расчета коэффициента дифракции приемников звука при произвольном угле падения из переднего полупространства (0°< 0 < 90°) и заднего полупространства (0 = 180°) с учетом формы и волновых размеров капсюля, а также импеданса поверхности подвижной системы. Соответствующие методу аналитические выражения.

2. Метод расчета эквивалентной геометрической разности хода различных типов направленных и комбинированных микрофонов, учитывающий не только продольное расстояние между акустическими входами, но также поперечные размеры микрофонов и чувствительного элемента, особенности конструкции акустических входов.

3. Метод расчета реальных характеристик направленности для микрофонов с различным типом акустической антенны с учетом факторов осевой асимметрии, а также удаленности источника звука.

4. Принципы формирования и аналитические модели частотно-пространственных характеристик чувствительности микрофонов различного типа (ОКМ, ОДМ, ДКД, интерференционного).

5. Системную нелинейную аналитическую модель чувствительности капсюлей конденсаторных микрофонов различного типа с учетом ряда неиссле-

дованных ранее факторов нелинейности (упругости мембран, фрикционной, статического смещения).

6. Метод расчета гармонических искажений по второй и третьей гармонике в диапазоне частотнонезависимой чувствительности конденсаторных микрофонов. Соответствующие методу аналитические выражения.

7. Принципиальные конструкции, теория работы и методы создания новых типов комбинированных микрофонов - одномембранного конденсаторного без фазосдвигакмцей цепочки и биградиентно-интерференционного.

8. Метод расчета эквивалентной гибкости и эквивалентной площади куполообразной диафрагмы с тороидальным гофром и соответствующие аналитические выражения.

9. Методологические приемы и алгоритмы проектирования микрофонов различного типа на основе их аналитических моделей.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 33 работы, в том числе 10 тезисов докладов на всесоюзных, всероссийских и международных научно-технических и научных конференциях, 4 статьи в информационно-технических изданиях, подтверждающих практическую реализацию результатов работы, 2 авторских свидетельства, 2 мошнрафии.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 136 наименований, семи приложений. Основной текст диссертации изложен на 304 страницах машинописного текста. Работа содержит 93 рисунка (45 страниц), 37 таблиц (33 страницы). Общий объем работы - 492 страницы.

И.Содержание работы.

Во введении поставлена цель работы, обоснована ее актуальность, научная новизна и практическая значимость результатов исследования, изложены краткое содержание работы и основные положения, выносимые на защиту.

Глава I посвящена исследованию приемных характеристик (акустической подсистемы) различных типов направленных микрофонов и разработке их адекватных аналитических моделей, обеспечивающих учет всех полевых факторов, реально влияющих на частотно-пространственную характеристику чувствительности (ЧПХЧ) микрофона с необходимой для практических расчетов точностью.

В начале главы излагаются основы системно-структурного представления микрофона как совокупности конструктивно связанных, но функционально различных подсистем, каждая из которых является звеном в процессе преобразования звукового сигнала в электрический. В соответствии с системными представлениями, микрофон рассматривается как комплексная электроакустическая система, разделенная на акустическую (приемную), акусти-ко-механическую, механо-электрическую (преобразователь) и электрическую подсистемы. Название каждой подсистемы определяется физической природой происходящих в ней процессов. Такое разделение позволяет четко разграничить функции подсистем, а также определить круг задач, решаемых в каждой из них.

Далее приводится аналитический обзор работ, посвященных определению антенных параметров микрофонов, таких как дифракционная поправка и геометрическая разность хода звуковой волны, а также связанных с ними представлений о характеристике направленности. Показано, что ряд исследований в этой области заканчивается весьма сложными и громоздкими выражениями, не позволяющими представить их результаты в приемлемом для

инженерных расчетов виде. Результаты других авторов имеют приближенный, качественный характер, зачастую существенно расходятся с экспериментальными данными. Все это делает большинство результатов неприемлемыми в практике проектирования микрофонов.

Следующий раздел посвящен методам определения дифракционных поправок для приемников звука. Часть результатов этого и последующего разделов, полученных автором в начале восьмидесятых годов [3, 7] и защищенных в кандидатской диссертации, имеет теоретическое и прикладное значение для различных типов приемников звука и приводится здесь с целью сохранения целостности и полноты изложения теории микрофонов.

В начале раздела рассматривается метод определения коэффициента дифракции при нормальном падении звука к чувствительной поверхности, основанный на применении принципа акустической взаимности Гюйгенса и теоремы Бабинэ. Сущность метода заключается в замене приемника излучателем аналогичной формы и размеров с целью использования в расчете дифракционных поправок известных решений задач излучения. Показано, что при решении задач дифракции нет необходимости учитывать податливость мембраны, целесообразнее учесть ее в эквивалентной схеме при расчете акустико-механического звена, что подтверждается приводимыми сравнительными расчетами.

Далее приводится решение задачи определения коэффициента дифракции при произвольном угле падения звука. Для строго касательного падения величина коэффициента Авд< 1 и зависит от распределения фазы падающей волны по чувствительной поверхности мембраны или отверстий второго входа. Аналитические выражения, определяющие Б до для круглой чувствительной поверхности радиуса 6; и для прямоугольной с продольным размером получены в следующем виде:

а

'90

2 ./,№>,) кЬх

/1/

где к=сс/у- волновое число, Л,-функция Бесселя 1-го порядка.

Далее выводится выражение для коэффициента дифракции при произвольном угле падения (0°<0<90°) к чувствительной поверхности:

Б(кЬ, в) - (1 I- г; (ка)созв)-

27, (Ш \а в)

/3/

кЬзтв

где 4 " нормированная величина сопротивления излучения, зависящая от размеров и формы капсюля микрофона.

Вычисления по этой формуле хорошо совпадают с экспериментальными результатами по определению 0(0) и ХН микрофонов фирмы Брюль и Къер, что подтверждает ее достоверность и практическую применимость.

В последнем разделе первой главы проведено исследование угловой зависимости эквивалентной геометрической разности хода звуковой волны йЭК(в) для различных типов направленных приемников звука. Получены аналитические выражения для йзк(в) с учетов поперечных размеров капсюлей -радиуса а и радиуса мембран - Ъ,. Для симметричных приемников разности давления (восьмерочных КМ и ДКМ) полученное выражение для с!ж(0) имеет вид:

где / - продольная толщина капсюля (расстояние между акустическими входами).

йж(в) =/со50+ (а - ^Ь^-втв),

/4/

Показано, что характеристики направленности подавляющего большинства современных микрофонов не соответствуют их классическому представлению в виде улитки Паскаля [22]. Отвечающими традиционным представлениям можно считать только микрофоны, у которых расстояние / между акустическими входами существенно превышает поперечный размер а, что в современных широкополосных моделях встречается крайне редко. Получены более общие выражения, позволяющие рассчитать <ЛЭК(9) и ХН - Щв) одно-мембранных микрофонов при различных вариантах несимметричного расположения второго акустического входа относительно первого. При расположении отверстия второго входа в центре заднего торца капсюля справедливы соотношения:

с1ж(0) = / co.se + а(1-*тв), /5/

Щв) = А + В,соав + В2(1 - этв). /6/

При расположении отверстия второго входа на боковой цилиндрической поверхности микрофона справедливы следующие соотношения:

с1ж(в) = / со,? (9 - асо$(р-зтв, /7/

Щв) " А + В,сояв - В2соз(р-зт6, /8/

где <р - угол между направлением нормали волнового фронта и осью отверстия.

Выявлены причины осевой асимметрии ХН, основной из которых является малый порядок симметрии расположения отверстий второго входа относительно оси мшфофона, а также неравномерное распределение акустического импеданса второго входа относительно его отверстий. Установлены

причины неравенства геометрической разности хода при фронтальном и тыловом падении звука для акустически несимметричных приемников звука.

Обоснована необходимость учета этих факторов, имеющих место при реальном взаимодействии микрофона и звукового поля, но никак не учитываемых в классической аналитической модели микрофонов.

Глава 2 посвящена исследованию акустико-механических подсистем различных типов однонаправленных и акустически комбинированных микрофонов, а также построению моделей их частотно-пространственных характеристик чувствительности (ЧПХЧ). В ней проведен краткий анализ существующих теорий однонаправленных и комбинированных микрофонов, методов анализа их акустико-механических подсистем, расчета отдельных элементов. На основе проведенных исследований [1 -8, 12, 20, 28, 29, 31] и корректировки теоретических представлений об угловой зависимости геометрической разности хода с!зк(в), влиянии дифракции на первый и второй акустические входы, влиянии сферичности фронта звуковой волны в ближнем поле источника звука и ряда других, разработаны адекватные аналитические модели ЧПХЧ различных типов направленных микрофонов.

В первом разделе главы получена математическая модель ЧПХЧ одномембранных односторонненаправленных микрофонов (конденсаторных и динамических) с фазо-сдвигающей цепочкой (ФСЦ) во внутренней структуре капсюля. Во втором разделе приведена математическая модель акустически комбинированных двухмембранных конденсаторных микрофонов (ДКМ) современной конструкции с совмещенным стоком. В третьем разделе разработана теория одномембранного акустически комбинированного конденсаторного микрофона с раздельным стоком. Получена механическая модель-аналог и эквивалентные электрические схемы (ЭЭС) такого микрофона, разработан метод определения зон динамического равновесия разнородных ячеек - давления и разности давлений в зависимости от заданной ХН. В четвертом разделе дан теоретический анализ работы и построена математическая мо-

дель остронаправленного микрофона, состоящего из интерференционной трубки длиной Н и капсюля-приемника разности давлений. Получены аналитические выражения для угловой зависимости геометрической разности хода с!м(в) и ХН такого микрофона Км(в) в области низких частот:

с1м(0)

= Я(сО50-1)

+ 1СО50,

191

К(0) =

г,с, +

Н{соав-Л) [

IV

г2с3+-V

/10/

где / - расстояние между акустическими входами капсюля, г2 - акустическое сопротивление второго входа, с3 - гибкость объема воздуха внутри капсюля. Получена аналитическая зависимость требуемой величины сопротивления второго входа капсюля от длины акустической антенны:

- „ . /11/ 2у

Проанализированы причины осевой асимметрии ХН, проиллюстрированы экспериментальными данными. Даны практические рекомендации по проектированию таких микрофонов и устранению нежелательных тенденций в их ЧПХЧ.

Пятый раздел посвящен исследованию ряда вопросов теории динамических микрофонов, таких как определение эквивалентной гибкости диафрагмы сэ, эквивалентной площади гофра и диафрагмы в целом 5Э0. Получены соответствующие аналитические выражения:

IUI

Sr-f&V). /14/

где с - коэффициент Пуассона материала диафрагмы;

Е - модуль Юнга материала диафрагмы;

А - толщина материала гофра;

Уа~ отношение радиусов купола Ь к полному радиусу диафрагмы а.

Показано, что аналитическое выражение, полученное ранее Гутипым, неприемлемо для расчета гибкости диафрагмы динамических микрофонов, т.к., во-первых, не приводится при р—> 0 к классическим соотношениям для однородной пластины, во-вторых, не соответствует данным экспериментов. В этом разделе также уточнены некоторые соотношения для расчета таких акустико-механических элементов, как импеданс воздушного зазора между звуковой катушкой и полюсным наконечником, подкупольный объем и других.

Полученные в главе 2 соотношения создают теоретическую базу для разработки методов проектирования различных типов микрофонов.

В главе 3 рассмотрен ряд вопросов, связанных с обоснованием совокупности технических требований к микрофонам, предназначенным для эксплуатации во внестудийных условиях. Условия эксплуатации существенно различаются между собой, выдвигая на первый план ту или иную совокупность требований, часто противоречащих друг другу. Это, в свою очередь, ставит целый ряд специфических вопросов теории и проектирования микро-

фонов. В связи с взаимосвязанностью решения всех этих вопросов сочтено целесообразным рассмотреть их в настоящей главе в комплексе.

В первом разделе обосновываются требования к техническим параметрам и конструктивным элементам микрофонов для систем звукоусиления (СЗУ), а также вопросы практического контроля ЧПХЧ [16, 17]. Произведен анализ многообразия акустических условий для мест размещения микрофонов в залах, на трибунах и столах заседаний, сцене, местах участников, а также «скрытых» под столешницей микрофонных систем. При разработке требований принимались во внимание также следующие задачи:

- подавление низкочастотных акустических шумов и реверберационной помехи;

- повышение устойчивости СЗУ к паразитной акустической обратной связи (АОС);

- повышение разборчивости речи и прозрачности вокала с учетом свойств слуха;

- уменьшение эффекта ближней зоны, заключающегося в подчеркивании низких частот и приводящего к ухудшению разборчивости и искажению тембра голоса;

- уменьшение влияния вибрационных и аэродинамических помех;

- минимально возможное искажение тембра голоса.

Для оптимального решения совокупности этих задач, к проектируемым микрофонам был разработан целый ряд требований, основные из которых предъявлялись к тенденции ЧПХЧ:

- суперкардиоидная ХН в диапазоне средних частот 250-4000 Гц;

- в НЧ диапазоне - спад ЧХЧ с нарастающей крутизной ниже 300 — 500 Гц у речевых и 120-150 Гц у вокальных микрофонов;

- в ВЧ диапазоне - плавный пик ЧХЧ с подъемом 3 - 5 дБ на частотах 2 -5 кГц с плавным спадом выше 8-10 кГц.

В соответствии с обоснованными здесь требованиями был разработан микрофон МД-91, специально предназначенный для СЗУ речи в залах с недостаточной акустической обработкой [23 - 26]. Образцы этого микрофона прошли в 1991 году эксплуатационные испытания в залах Таврического и Мариинского дворцов (Санкт-Петербург) и в залах заседаний Государственной Думы (Белом доме в Москве). Применение МД-91 в акустически сложных залах позволило повысить устойчивость СЗУ к АОС на 2 - 5 дБ (в зависимости от места установки и ориентации микрофонов) по сравнению с микрофонами других фирм, участвовавших в испытаниях («Октава», ЛОМО, ЦКБК «Экран», АКО). Экспертами отмечалась лучшая разборчивость речи наших микрофонов при вполне удовлетворительной передаче тембра голоса. Это практически подтвердило правомерность обоснованных нами требований, которые послужили в дальнейшем основой для создания целого ряда микрофонов [25 - 27].

Во втором разделе рассматриваются вопросы эксплуатации микрофонов в условиях сильных акустических шумов. Дана идея создания и принципиальная конструкция [21 - 23] остронаправленной системы, названной нами би-градиентно-интерференционной, состоящей из двух соосно ориентированных однонаправленных капсюлей, волновода с отверстиями между ними и усилительно-коммутирующего устройства. Предложенная система обладает эффективной шумозащищенностью в широком диапазоне речевых частот при относительно небольших размерах. Разработаны основы теории таких микрофонов, обоснованы требования для проектирования составляющих узлов. Проанализированы тенденции ЧПХЧ, рассчитана шумозащищенность в различных акустических условиях распределения источников помех и положения источника сигнала. Приведены экспериментальные ЧПХЧ макета микрофона в различных режимах его работы. Показано, что потенциальные возможности такой системы далеко не исчерпаны в макете, разработка которого в свое время была выполнена, практически, на эмпирической основе.

В третьем разделе проведено исследование изменения совокупности основных электроакустических параметров микрофонов различного типа приема и преобразования в зависимости от их размеров. Необходимость таких исследований продиктована общей тенденцией миниатюризации микрофонов. Отсутствие детально разработанной теории микрофонов различного типа до настоящего времени не позволяло провести такой анализ достаточно полно, хотя некоторые попытки и предпринимались нами ранее [10, 11]. Исследование проведено для наиболее распространенных типов микрофонов на основе системного подхода и теоретических результатов, полученных в первой, второй и четвертой главах настоящей работы. Результаты анализа представлены в виде сводной таблицы 1, где показаны тенденции изменения электроакустических параметров при уменьшении диаметра чувствительного элемента в п раз по сравнению с первоначальным (в таблице сь Ш] и гр совокупные акустикс-механические параметры мембраны и зазора, т2 и ш2 -параметры второго входа, Сз и гз - параметры внутренней структуры капсюля). Сделаны практические выводы о целесообразности уменьшения размеров микрофонов различного типа для применения в тех или иных условиях эксплуатации.

Тип микрофона Упрощенная ЭЭС в диапазоне НЧ и СЧ Управляющие элементы ЧХЧ Чувствительность ни 1000 Гц Тенденции ЧПХЧ Диапазон звуковых давлений

предельного эквивалентного собственному шуму

нкм с, г, F1 ^^^ с3 c3= n2 ~ const ~ const ~ const п

с, = const ~n-2 расширение ЧХЧ в n раз на ВЧ ~п2 ~п3

окм С1 Г1 Г2 F1 сз = r2c3 = const Г12=П'2 ~ const спад ЧХЧ на НЧ ~ const ~п

r2c3 = const r12~ const ~n-2 - const ~п2 ~nJ

дкм С1 Г1 2Г2 С, F1 С3 у у С3 Р2 r12-n c3 = n2 ~ const спад ЧХЧ и расширение ХН на НЧ ~ const ~п

rl2 = const c3 = const ~n"2 ~ const ~п2 ~п3

одм Ci г2 •—11—mn-■—i F1 c3Jz F2 m] = n"' ~n3 спад ЧХЧ на НЧ ~ const ~п2

с, m, m2 •-11-ITT-1-mrve F, гз ¡J F2 m12= const -n4 спад ЧХЧ на НЧ - const ~п3

Глава 4 посвящена исследованию нелинейных искажений (НИ) в капсюлях конденсаторных микрофонов. Эти исследования наиболее актуальны для КМ, применяемых для акустических измерений, а также студийных, где традиционно приходится иметь дело с большими уровнями звуковых давлений. Так при современной полимикрофонной технологии звукозаписи микрофоны устанавливаются в непосредственной близости от музыкальных инструментов, где пиковый уровень сигналов часто превышает 140 - 150 дБ. Традиционно считается, что основной причиной НИ является перегрузка предусилителя КМ, что зафиксировано в соответствующих стандартах на методы измерений направленных микрофонов.

Такой подход можно было считать оправданным 20-30 лет назад, когда нормируемый предельный уровень звуковых давлений не превышал 120-130 дБ (20-50 Па). В настоящее время бурного развития цифровой и аналоговой электронной техники, многие фирмы указывают предельный уровень в 150 - 160 дБ. Между тем совершенно неочевидно, что при указанных уровнях остальные звенья КМ остаются линейными (К, < 0,5%). Игнорирование этих обстоятельств противоречит требованиям достоверности как методов измерения, так и нормируемых параметров. Очевидна необходимость получения более полных представлений о физической природе НИ в капсюлях, их уровневой и частотной зависимости, что можно осуществить юлько путем системных исследований.

Аналитический обзор работ, посвященных исследованию НИ электростатических преобразователей, проведенный в первом разделе, показывает, что их результаты относятся, в основном, к преобразователям-двигателям и не могут быть непосредственно использованы для ми1фофонов. Немногочисленные исследования НИ микрофонов носят частный характер, их результаты часто противоречивы, неполны, а количественные оценки вызывают сильные сомнения даже у самих авторов. При изложении в этой главе наших иссле-

дований НИ, особенно их экспериментальной части, мы частично базируемся на результатах, полученных в работах [13, 14].

Во втором и третьем разделах проведен анализ физических факторов, приводящих к появлению нелинейных искажений на различных стадиях преобразования звукового сигнала в электрический. Выявлен ряд неотмеченных в литературе, а также неисследованных ранее причин нелинейности. С системных позиций все исследуемые явления разделены на две группы:

- акустико-механические, проявляющиеся при преобразовании звукового давления в смещение мембраны;

- механо-электрические, проявляющиеся при преобразовании колебательного смещения мембраны в электрический сигнал.

Построены частные математические модели следующих факторов нелинейности:

- упругости мембраны, учитывающей, помимо упругости изгиба, упругость растяжения;

- адиабатического процесса деформации воздуха в подмембранных объемах;

- квадратичности кулоновской силы по отношению к напряжению;

- асимметрии изменения электрической емкости преобразователя с учетом и без учета статического смещения мембраны;

- модуляционной нелинейности изменения емкости преобразователя с учетом ее паразитной составляющей и входных параметров предусилителя микрофона.

В частных математических моделях этих явлений установлена аналитическая зависимость НИ от конструктивных, электрических и акустико-механи-ческих параметров микрофонов.

В четвертом разделе проведена сравнительная количественная оценка значимости этих факторов на различных участках динамического и частотного диапазона в капсюлях разного типа (НКМ, ОКМ, ДКМ, восьмерочных КМ с дифференциальным преобразователем).

В пятом разделе построена системная нелинейная модель чувствительно сти капсюлей КМ при больших уровнях давлений М6. Для этого произведе на аппроксимация аналитических моделей наиболее значимых факторов частотнонезависимом диапазоне (примерно f < ^/4).

Для приемчиков давления (НКМ) это выражение приводится к виду:

М6=

1 -0,136——Г—

¿V и

1+'

1 + 2

1-х'

1

/15/

Для направленных и комбинированных:

Мь=Мк

1 +

п гп

1+-

1 + 2

4'

1-х'

/16/

Здесь Мм - чувствительность при малых давлениях; $

-м - отношение изгибной упругости мембраны к суммарной, включающей упругость подэлектродного объема воздуха; А - толщина мембраны; 5' - эффективная величина воздушного зазора;

х'= —- - относительное статическое смещение;

5' р

£,'■=-- - относительное колебательное смещение мембраны; 5'

и' = — - отношение выходного напряжения к поляризующему;

Ск,С„,Ст - полезная и паразитная емкости капсюля и их сумма;

г/ - активное акустико-механическое сопротивление воздушного зазора между мембраной и неподвижным электродом; у 12 = г; + г2- суммарное сопротивление зазора и второго входа (щели меж-

ду половинками неподвижного электрода в двухмембранном микрофоне).

В одномембранном микрофоне п = 1; двухмембранном п = 2; в двунаправленном одномембранном г? = 0, а п - 1 (в дифференциальном симметричном преобразователе теоретически К2 —> О, а Кз удваивается).

При гармоническом характере звукового давления р = рАвта>^ , соответственно представляя ¿Г и м', проводя алгебраические и тригонометрические преобразования, ограничившись величинами второго порядка малости, получаем приближенные выражения для расчета искажений выходного сигнала по второй Кг и третьей К3 гармоникам. Для ненаправленных капсюлей:

2^4 [С^ Ы ] [(1-^)4

Соответственно, для направленных капсюлей:

миг™

Сопоставительная количественная оценка различных факторов нелинейности КМ по величине К2 и К3 приведена в таблице 2. Экспериментальные исследования гармонических искажений проводились в трубе-резонаторе (МЭК 268-4) на частотах 500 и 1000 Гц для уровней звуковых давлений от 134 до 160 дБ. Объектом был выбран отечественный микрофон МК-16, параметры которого, необходимые для расчета искажений, были известны. Результаты совпали с расчетными в пределах погрешности измерений, что позволяет сделать вывод о достаточной точности аналитической модели.

Зг,

(1-х')2

/18/

Таблица 2

Сопоставительная оценка различных факторов нелинейности КМ по величине К2 и К3 в %

Фактор нелинейности 1 Упругость мембраны 2 Адиабатический процесс деформации воздуха 3 Фрикционный фактор в зазоре 4 Квадратичное ть кулоновских сил 5 Асимметрия колебаний емкости 6 Модуляционная нелинейность емкости (в знаменателе Кг на/, при и„ЛС„= 1/2)

двунаправленных км однонаправленных км Без учета стат. прогиба С учетом стат. прогиба

Расчетные формулы 4.2.7 4.2.7 4 2.12 (а) 4.2.12 (б) 4.2.19 (а) 4.2.19 (б) 4.2.14 и 4.2 19 4.3 13 4.3 20 4.3.20 4.3 31 (а) и (б)

Коэф. Кг к3 к, к, к, к2 К, К, К, Кз к, К, к3 к, К, к, к,

Дополнит, условия гы Г" П = Зг, х'-0 х'=0,1 х'=0,2 С,/Сг=0,5 СУСЕ=0,1

£.'= $л/8

0,025 0,21 0,05 0,08 - 3,6 0,05 0,9 0,01 0,88 ■ 0,03 0,04 0,05 0,63 0,01 0,04 0,13 0,28 0,00 0,00

1,40

0,05 0,83 0,21 0,15 - 6,9 0,19 1,73 0,05 1,7 ■ 0,13 0,18 0,22 1,25 2,80 0,02 0,08 0,25 0,56 0,00 0,00

0,1 3,09 0,83 0,30 - 12,8 0,68 3,2 0,17 3,54 ■ 0,49 0,69 0,85 2,50 5.60 0,06 0,31 0,50 1,12 0,00 0,01

0,2 9,66 3,09 0,60 - 21,6 2,16 5,4 0,54 7,07 - 1,89 2,61» 3,16» 5,00 Ц2 (125 1,25 1,00 2,24 0,01 0,05

Где может иметь указанные значения Ненаправленные микрофоны, управляемые упругостью мембраны Ненаправленные, управляемые гибкостью объема Двунаправленкые_, несимметричные, управляемые активным сопротивлением зазора, при гг=0 Студийные однонаправленные КМ и ненаправленные КМ в области резонанса Во всех типах КМ Во всех типах КМ * - данные за пределами устойчивости Малогабаритные КМ с диаметром мембраны 6-8 мм Студийные КМ

Глава 5 ориентирована на практическое применение полученных в первых четырех главах результатов. В ней излагаются методы расчетного проектирования наиболее распространенных типов однонаправленных и акустически комбинированных микрофонов.

Первый раздел посвящен методике проектирования одностороннена-нравленных динамических катушечных микрофонов (ОДМ) и включает в себя подробный расчет конструктивных, электрических, механических параметров подвижной системы - ПС (звуковой катушки, купольной и гофренной части диафрагмы); магнитной цепи - МЦ (выбор материалов, высота магнита, проводимостей участков МЦ, индукции в воздушном зазоре), конструктивных размеров и акустико-механических параметров внутренней структуры капсюля, второго входа, параметров антифонной катушки; основных электроакустических параметров (чувствительности, уровней собственного шума и предельного звукового давления, ЧХЧ при углах падения 0°, 90°, 180° в плоской волне и на рабочем расстоянии).

Во втором разделе излагается методика проектирования однонаправленных одномембранных конденсаюрных микрофонов (ОКМ), включающая подробный расчет электрических, механических и конструктивных параметров преобразователя; внешних размеров капсюля, определяющих эквивалентную геометрическую разность хода и дифракционные поправки; расчет требуемых для оптимальной реализации ТЗ акустико-механических параметров капсюля; расчет чувствительности, ЧХЧ, при углах падения звука 0°, 90°, 180° в плоской волне и на рабочем расстоянии. В этом же разделе приведена методика экспериментальной проверки полученных результатов и анализа типовых ошибок проектирования и реализации конструкции. В третьем разделе приведен метод проектирования одномембранных конденсаторных акустически комбинированных микрофонов (без внутренней ФСЦ). Метод включает в качестве составных частей расчет капсюля -приемника давления и капсюля - приемника разности давлений с восьмеричной ХН, а

также комбинированного капсюля, в котором указанные приемники реализуются с помощью одной мембраны и одного НЭ. Особое внимание уделено методам расчета эквивалентной площади участков НЭ, реализующих тот или иной тип приемника, а также зон динамического равновесия между ними, что позволяет получать заданный в ТЗ тип ХН в комбинированном микрофоне.

Четвертый раздел посвящен изложению методики проектирования комбинированных двухмембранных конденсаторных микрофонов (ДКМ) и базируется на результатах работ [1 - 9], расширенных и дополненных результатами, полученными в изложенных ниже главах настоящей работы. Методика включает в себя обоснование рекомендаций выбора принципиальной конструкции капсюля и внешнего оформления микрофона; расчет электрических, конструктивных и акустико-механических параметров капсюля, оптимально отвечающих требованиям ТЗ; расчет ЧХЧ при углах падения звука 0°, 90°, 180° с учетом дифракционных поправок и рабочего расстояния от источника звука; расчет основных параметров, определяющих динамический диапазон. Учитывая, что ДКМ предназначены в основном для студийной и концертной звукозаписи и являются одними из наиболее высококачественных микрофонных систем, ширина динамического диапазона является для них одной из наиболее важных характеристик. Поэтому расчету уровневых зависимостей гармонических искажений - ГИ (К2, К3, К£) и предельного уровня звукового давления, а также рекомендациям по уменьшению ГИ в методике уделено особое внимание. Предложен способ практической оценки ожидаемого уровня собственного шума микрофона (точный расчет этого параметра на стадии акустического проектирования невозможен из-за отсутствия данных по уровню и спектру шумов элементов предусилителя КМ).

В приложении I приводятся результаты сопоставления расчетов дифракционных поправок с экспериментальными данными.

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С. Петербург ( ОЭ Я» мгг

В приложении П приведены данные расчетов уровневой и частотной зависимости ГИ для различных типов капсюлей КМ. Приводится методика измерения ГИ и оцениваются результаты.

В приложениях ГП, IV и V приведены конкретные примеры проектирования динамического, конденсаторных одномембранного и двухмембранно-го микрофонов.

В приложении VI приведены материалы, подтверждающие внедрение результатов работы (акты внедрения).

В приложении VII приведены алгоритмы программ проектирования различных подсистем микрофонов, а также алгоритмы расчета ЧПХЧ для ОКМ и ОДМ.

Ill, Заключение

В заключении сформулированы основные результаты проведенных в работе исследований, даны рекомендации по их практическом)' применению.

На основании выполненных в диссертации исследований разработаны новые теоретические положения и методы, совокупность коюрых можно классифицировать как решение крупной научно-технической проблемы, имеющей важное значение для прикладной акустики в части проекгирования современных микрофонов и повышения конкурентоспособности отечественного производства звукотехнической аппаратуры в целом. Решение этой комплексной проблемы стало возможным благодаря развитию и применению в работе системного подхода по отношению к акустически сложным микрофонам на разной стадии их исследования и анализа.

1. Аналитически рассмотрена и решена задача определения дифракционных поправок на торце цилиндрического приемника звука при произвольном угле падения (0°< 0 < 90°) звука из переднего полупространства и из заднего (0 = = 180°) полупространства. Аналитические соотношения для расчета коэффициентов дифракции при падении звука из переднего полупространства получены путем интегрального усреднения звукового давления с учетом фазовой скорости прохождения фронта звуковой волны по отражающей чувствительной поверхности и определения давления рассеиваемой части падающей волны, зависящей от ее нормальной составляющей. Показана аналитическая зависимость коэффициента дифракции с нормированным сопротивлением излучения аналогичного по форме и размерам объекта, что существенно упрощает процедуру расчета дифракционных поправок для различных типов приемников звука. Для падения звука из заднего полупространства задача решена энергетическим способом (на основании закона сохранения энергии). Результаты вычислений по полученным формулам хорошо (в пределах погрешности измерений) согласуются с экспериментальными данными.

2. Проведено исследование угловой зависимости эквивалентной геометрической разности хода звуковых давлений, воздействующих на первый и второй акустические входы микрофонов с различным типом акустической антенны. Получены аналитические зависимости для расчета геометрической разности хода при произвольном угле падения звука из переднего полупространства и для тылового падения с учетом поперечных размеров капсюлей и чувствительного элемента. Выявлены причины неравенства геометрической разности хода при фронтальном и тыловом падении звуковой волны для несимметричных конструкций одномембранных микрофонов. Обоснована необходимость учета этих факторов при проектировании однонаправленных динамических и конденсаторных микрофонов.

3. Выявлены причины осевой асимметрии характеристики направленности, имеющей место во многих моделях одномембранных однонаправленных микрофонов. Показано, что такая асимметрия проявляется заметнее при малом продольном расстоянии между акустическими входами и малом внутреннем сдвиге фазы давления в микрофоне, т.е. при стремлении разработчика получить в широком частотном диапазоне супер- и гиперкардиоидные характеристики направленности. Основной причиной осевой асимметрии является неравномерное распределение отверстий второго входа по боковой поверхности капсюля микрофона (т.е. малый порядок их симметрии относительно оси микрофона).

4. Показано, что «классическая» аналитическая модель однонаправленною микрофона, базирующаяся на учете только продольного расстояния между акустическими входами и на соответствующей характеристике направленности в виде «улитки Паскаля», не соответствует реальному взаимодействию микрофона и звукового поля, а поэтому и не объясняет наличия исследованных нами факторов. Реально такая общепринятая аналитическая модель может служить лишь для качественного анализа отдельных аспектов направленности, но не может претендовать на строгую количественную оценку це-

лого ряда факторов. Отвечающими традиционным представлениям можно считать только микрофоны, у которых расстояние между акустическими входами существенно превышает поперечные размеры, что в современных широкополосных микрофонах встречается крайне редко.

5. Введено новое научно-техническое понятие - частотно-пространственная характеристика чувствительности микрофона (ЧПХЧ), под которой понимается математическая модель, отражающая зависимость чувствительности одновременно от ряда параметров - частоты, угла падения звуковой волны относительно акустической оси микрофона, волновых размеров его акустических входов, расстояния до источника звука и др. ЧПХЧ дает наиболее полное представление о связи частотно-пространственных свойств акустически сложных приемников.

6. Разработаны математические модели ЧПХЧ акустически несимметричных однонаправленных динамического катушечного и одномембранного конденсаторного микрофонов. В отличие от классических представлений, полученные аналитические модели учитывают такие факторы, как дифракционные явления для обоих акустических входов при различных углах приема, конечность расстояния от микрофона до источника звука (сферичность фронта), неравенство фронтальной и тыловой геометрической разности хода, осевую асимметрию ХН.

7. Разработана аналитическая модель ЧПХЧ двухмембранных конденсаторных акустически комбинированных микрофонов современного типа (с совмещенным стоком НЭ). На базе анализа симметричных эквивалентных схем показано, что акустико-Кеханическое звено таких микрофонов может быть представлено двумя более простыми ЭЭС, а ЧПХЧ рассчитана как алгебраическая сумма составляющих объемных смещений под действием сил давлений и их разности. Аналитическая модель учитывает явления фронтальной и теневой дифракции на ВЧ; соотношения геометрической разности хода и расстояния до источника звука в диапазоне НЧ; влияние площади

напыления металла на мембране на ХН. Последний из упомянутых факторов впервые исследован в наших работах и ранее не был даже отмечен в литературе.

8. Теоретически обоснована идея создания одномембранного акустически комбинированного конденсаторного микрофона без внутренней фазосдвигаю-щей цепочки. Проведены теоретические и экспериментальные исследования колебаний плоской мембраны под действием неравномерно распределенной силы. На этой основе построена механическая модель и эквивалентные схемы такого микрофона, методы определения зон динамического равновесия между участками мембраны, колеблющимися под действием сил давления и их разности, что позволяет рассчитать параметры электродов в зависимости от заданной ЧПХЧ.

9. Разработаны вопросы теории комбинированного остронаправленного микрофона, состоящего из интерференционной трубки и капсюля-приемника разности давлений. Исследованы не отмеченные ранее в специальной литературе физические причины отличия ХН такого микрофона от ХН отдельного капсюля для НЧ диапазона, а также причины осевой асимметрии ХН. Получены аналитические выражения для угловой зависимости геометрической разности хода и ХН для НЧ диапазона с учетом не только угла падения звука 0 относительно оси микрофона, но и угла ф относительно осей отверстий волновода. Данные проведенных экспериментальных исследований подтверждают теоретические положения работы, что позволяет дать практические рекомендации для разработки и проектирования:

- для получения в НЧ диапазоне требуемой ХН величину импеданса второго входа капсюля следует согласовывать с геометрической разностью хода всего микрофона с учетом длины волновода;

- для получения осевой симметрии ХН следует отверстая в интерференционном волноводе располагать в виде нескольких параллельных рядов

вдоль волновода, так чтобы расстояния между рядами были меньше полуволнового размера на верхней граничной частоте.

10. Найдено решение теоретической задачи колебаний неоднородной круглой пластины (с жесткой центральной частью). На его основе получены аналитические соотношения для расчета эквивалентной площади куполообразной диафрагмы и ее гофрированной части, а также эквивалентной гибкости гофра, что восполняет существенные пробелы в теории динамических микрофонов. Полученное аналитическое выражение для расчета гибкости хорошо согласуется (в отличие от формулы Гутина) с классическими выражениями для расчета гибкости однородных пластин, а также с экспериментальными данными.

11. Впервые проведено системное исследование физических факторов, приводящих к нелинейным искажениям (НИ) в различных звеньях КМ. Выявлен ряд неотмеченных в литературе, а также неисследованных ранее причин нелинейности. Построены частные математические модели этих явлений, устанавливающие зависимость величины искажений от акустических, механических, конструктивных и электрических параметров микрофонов. В результате объединения и аппроксимации наиболее значимых факторов получена системная нелинейная модель капсюля, позволяющая достаточно точно вычислить уровневую и частотную зависимость чувствительности и гармонических искажений (ГИ) для различных типов КМ. Проведены экспериментальные исследования, результаты которых хорошо согласуются с расчетными. Проведенные исследования позволяют сделать выводы и дать практические рекомендации по минимизации ГИ на этапе проектирования микрофонов:

- ГИ в капсюлях конденсаторных микрофонов при уровнях звуковых давлений до 160 дБ определяются величиной второй и третьей гармоник (К2 и К3) и практически не зависят от частоты сигнала в области частотно-независимой чувствительности;

- величина второй гармоники К2 пропорциональна отношению эквивалентного смещения мембраны к величине зазора, а третьей К3 - квадрату этого отношения;

- количественная значимость различных физических факторов в появлении нелинейных искажений сильно зависит от типа конденсаторного микрофона;

- расчеты ГИ для ряда капсюлей студийных КМ показывают, что их величина превышает 0,5% уже при уровнях звуковых давлений 130 - 135 дБ, поэтому принятое в мировой практике нормирование предельных уровней в 140 дБ и выше по величине ГИ предусилителей не соответствует реальному положению и является неправомерным;

- уменьшение ГИ капсюлей может быть достишуто на этапе их проектирования путем увеличения натяжения мембраны, поляризующего напряжения и о, при одновременном увеличении ширины зазора

- существенного уменьшения ГИ в направленных и комбинированных микрофонах можно добиться уменьшением активной составляющей сопротивления воздуха в зазоре по сравнению с щелью, а также (по четным гармоникам) применением «дифференциального» симметричного преобразователя.

12. Предложена и обоснована идея создания новой остронаправленной микрофонной системы, названной условно «биградиентно-интерференционной», предназначенной для работы в условиях сильных шумов и вибраций. Созданы теоретические предпосылки для проектирования такой системы.

13. Обоснованы требования к ЧПХЧ и конструкции микрофонов для высококачественных СЗУ речи на основе учета целого ряда эксплуатационных факторов (акустических условий различных мест размещения микрофонов, воздействий низкочастотных вибрационных и ветровых помех, электромагнитных полей и т.д.).

г

I

14. Впервые проведено системное исследование изменения совокупности основных электроакустических параметров микрофонов различного типа приема и преобразования от их размеров, позволившее определить, какие типы микрофонов и до каких размеров целесообразно уменьшать для конкретных условий эксплуатации (в качестве измерительных, петличных, студийных, для СЗУ и т.д.).

15. На основе разработанной теории и построенных системных математических моделей наиболее распространенных типов профессиональных микрофонов созданы аналитические методы их проектирования (однонаправленных динамических катушечных и конденсаторных одномембранных, акустически комбинированных одномембранных и двухмембранных конденсаторных), позволяющие по совокупности заданных технических параметров рассчитать оптимально соответствующую им конструкцию капсюля. Созданные аналитические методы позволяют также при необходимости, на предварительном этапе работы, определить реализуемость совокупности заданных параметров и найти способы этой реализации.

16. Прикладная сторона работы не ограничивается созданными детальными аналитическими методами проектирования конкретных типов микрофонов, апробация которых проведена на практических разработках целого ряда моделей конденсаторных и динамических микрофонов. Например, методы проектирования ненаправленного и двунаправленного КМ могут быть получены путем ряда упрощений приведенных методов проектирования комбинированных КМ, т.к. являются их частными случаями. Разработанная теория также может служить основой для создания методов проектирования различных остронаправленных систем.

Список авторских публикаций по теме диссертации.

1. Экспериментальное исследование работы электростатического преобразования в двухмембранном конденсаторном микрофоне в однонаправленном режиме. ТСС, сер. ТРПА, вып. 3, 1980, с. 83 - 87.

2. Исследование акустико-механической системы однонаправленного двух-мембранного конденсаторного микрофона. Тезисы док. 19ВНТК "Перспективы развития ТРПА", Л, 1981. (1 с).

3. К вопросу о расчете дифракционной поправки для приемников звука. Деп. ВИНИТИ 24 авг. 1983, № ДО 5336. (7 с)

4. Теоретическое ' исследование акустической системы однонаправленного двухмембранного микрофона и расчет частотной характеристики чувствительности. ТСС, сер. ТРПА, вып. 2, 1982, с. 47-52.

5. Анализ акустико-механических систем преобразователей двухмембранных конденсаторных микрофонов (совм. с В.К. Иофе). Тезисы док. 10-й Всесоюзной акустической конференции. М, 1983, сек. С, с. 13-16.

6. Анализ влияния формы фронта звуковой волны на направленность комбинированных микрофонов. Тезисы док. 20ВНТК "Перспективы развития ТРПА", Л, 1983. (1 с)

7. О расчете коэффициента дифракции на торце цилиндрического приемника для наклонного падения звука. Деп. ВИНИТИ 24 апр. 1984, № ДО 5814. (7 с)

8. Зависимость перепада уровней фронтальной и тыловой чувствительности направленных микрофонов от характера звукового поля. Деп. ВИНИТИ, 17 мая 1984, № ДО 5923. (10 с)

9. Методика синтеза двухмембранных конденсаторных микрофонов с заданными электроакустическими характеристиками. ТСС, сер. ТРПА, вып. 2, 1984, с. 42-51.

10. О тенденциях изменения некоторых электроакустических параметров конденсаторных микрофонов при их миниатюризации. ТСС, сер. ТРПА, вып. 3, 1985, с.53-59.

11. Некоторые принципиальные вопросы миниатюризации однонаправленных микрофонов. Тезисы док. 21 ВНТК "Перспективы развития ТРПА", Л., 1985, с. 68.

12. К вопросу о нормировании час7ШМ1ространственной характеристики чувствительности направленных микрофонов, (совм. с Н. И. Грилихес). Тезисы док. 21 ВНТК "Перспективы развития ТРПА", Л., 1985, с, 67.

13. Гармонические искажения в преобразователях конденсаторных микрофонов (совм. с В.И. Ильяшуком). Деп. ВИНИТИ 25 февр. 1987, №Д07140(ЗЗс)

14. Нелинейные искажения в конденсаторных микрофонах при высоких уровнях звуковых давлений. ТСС, сер. ТРПА, вып. 1, 1987, с. 60-71.

15. Разработка новой номенклатуры микрофонов профессионального назначения (совм. с A.A. Ахматовым и A.C. Барановым). Тезисы док. 22 ВНТК "Перспективы развития ТРПА и звукоусиления", Л, 1988, с.74.

16. К вопросу о выборе микрофонов для систем звукоусиления. Тезисы док. 22 ВНТК "Перспективы развития ТРПА и звукоусиления", Л, 1988, с. 75.

17. Некоторые вопросы проектирования микрофонов для систем звукоусиления. ТСС, сер. ТРПА, вып. 3, 1989, с,3-9.

18. ГОСТ 6495-89. Микрофоны. Общие технические условия. Изд. Стандартов, М, 1989. Тир. 6000 экз. (совм. с Е. К. Горбуновой, А. С. Осташевым, И. И. Галкиной). - 12с.

19. Тенденции развития микрофонной техники для цифровых звуковых трактов и требования к ней. Тезисы док. 2 ВНТК "Проблемы и перспективы цифровой звукотехники", Л, 1990, с. 105.

20. О соответствии характеристик направленности реальных микрофонов Улитке Паскаля. ТСС, сер. ТРПА, вып. 2, 1990, с, 55-64.

21. Микрофонное устройство. Авт. свидетельство на изобретение

№1818714. Приор, от 28.06.91. (совм. с Е. Ф. Матросовым и О. В. Чертоли-ной). - 8 с.

22. Малогабаритный микрофон многоцелевого назначения с управляемой частотно-пространственной характеристикой. Тезисы док. Всероссийской Н.П.К. "Перспективы развития радиоприемной, электроакустической, студийной и звукоусилительной техники. ЦРЛ-ИРПА-70 лет", С-П, 1993, с. 56-57.

23. Основные тенденции развития микрофонной техники. "Радио", № 8, 1993, с. 12-14.

24. Магнитная цепь динамического микрофона. Авт. свидетельство на полезную модель № 1589RUU1. Приоритет от 20.09.94. (совм. с В.И. Илья-шуком и О. В. Чертолиной).

25. Современные микрофоны и их применение, ч. 1. "Радио", М, № 11, 1998, с. 16-18.

26. Современные микрофоны и их применений, ч. 2. "Радио", М, № 12, 1998, с. 17-19.

27. Микрофоны фирмы "Микрофон-М". "Звукорежиссер", M, № 1, 2000, с.21-22.

28. Динамические микрофоны. Монография. - СПб: изд. СПбГУКиТ, 2002 .т

127с. (8 печ.л.).

29. Problems of theory and designing for directional interference microphones, 21 st AES Conférence Paper. Presented, 2002, Jme 1-3 St.Petersburg, p. 287-289.

30. Nonlinear model of condenser microphone capsule, 21 st AES Conférence Paper. Presented, 2002, June 1-3 St.Petersburg, p. 130-132.

31. Теоретические и прикладные аспекты миниатюризации микрофонов. ТКТ, №3, 2003,- 0,75 печ. л.

32. Частотно-пространственная характеристика чувствительности микрофонов для звукоусиления и аудио-видео--конференцсвязи. ТКТ, № 7,2000.- 0,75 печ. л.

33. Современные микрофоны. Теория, проектирование. Монография. - СПб: изд. СПбГУКиТ, 2003. - 395с.(24,5 печ. л.).

Изд. лиц. ИД № 02558 от 18.08.2000 г. Подписано в печать 09.06.2003 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Уч.-изд. л. 2. Тираж 100 экз. Заказ Ш .

Редакционно-издательский отдел СПбГУКиТ. 192102. Санкт-Петербург, ул. Бухарестская, 22.

Подразделение оперативной полиграфии СПбГУКиТ. 192102. Санкт-Петербург, ул. Бухарестская, 22.

"TSô^J fl 16 09 3

Введение

Глава 1. Системное представление микрофона и математическая модель его приемного звена

1.1. Системно-структурное представление микрофона. Постановка задачи

1.2. Аналитический обзор работ, посвященных определению антенных параметров микрофонов

1.2.1. Уточнение понятия звуковой приемной антенны и ее роли

1.2.2. Анализ работ по дифракции звука на телах сходных с капсюлем микрофона

1.2.3. Анализ классических представлений о геометрической разности хода звуковой волны и характеристике направленности

1.3. Дифракция звука

1.3.1. Определение коэффициента дифракции для фронтального торца полубесконечного цилиндра

1.3.2. Дифракция при наклонном падении звуковой волны5.

1.4. Эквивалентная геометрическая разность хода звуковой волны и ее роль в формировании пространственных характеристик для различных типов микрофонов

1.4.1. Геометрическая разность хода и ее угловая зависимость при симметрии акустических входов.

Учет теневой дифракции при 0 = 180°

1.4.2. Определение геометрической разности хода и ее угловой зависимости при различных вариантах несимметричного второго акустического входа

1.5. Выводы f^

Глава 2. Частотно-пространственные характеристики чувствительности. Теория акустико-механических подсистем микрофонов

2.1. Одномембранные микрофоны односторонней направленности с фазосдвигающими гс цепочками

2.1.1. Современное состояние теории однонаправленных микрофонов „7.

2.1.2. Разработка аналитической модели частотно-пространственной характеристики чувствительности в условиях плоской волны8.

2.1.3. Частотно-пространственная характеристика чувтсвительности направленных микрофонов в сферической волне.

2.1.4. Частотно-пространственная характеристика направленных микрофонов в области высоких частот

2.1.5. Общий алгоритм расчета и оптимизации параметров и структуры однонаправленных микрофонов

2.2. Двухмембранные (акустически комбинированные) конденсаторные микрофоны

2.2.1. Анализ симметричных эквивалентных схем лестничного типа

2.2.2. Частотно-пространственная характеристика чувствительности двухмембранного конденсаторного микрофона

2.2.3. Особенности расчета некоторых акустико-механических элементов двухмембранных микрофонов с совмещенным стоком

2.3. Одномембранные комбинированные конденсаторные микрофоны без фазосдвигающих цепочек1.

2.3.1. Физические предпосылки и принципы реализа

Л ции одномембранного комбинированного микрофона

2.3.2. Теория колебаний мембран под действием неравномерно распределенной силы

2.3.3. Анализ акустико-механического звена одномембранного комбинированного микрофона

2.3.4. Граница динамического равновесия

2.4. Теория и проектирование остронаправленных микрофонов интерференционного типа

2.4.1. Краткий обзор остронаправленных систем.

2.4.2. Теория комбинированного интерференционного микрофона с однонаправленным капсюлем.

2.4.3. Экспериментальная проверка теоретических результатов

2.5. Проблема адекватности и точности метода

2.5.1. Достоверность эквивалентных электрических схем

2.5.2. Достоверность аналитических соотношений для расчета параметров элементов эквивалентных схем

2.5.3. Вывод расчетных соотношений для определения акустических параметров воздуха в зазоре магнитной системы

2.5.4. Определение эквивалентной гибкости и эквивалентной площади диафрагмы

2.6. Выводы17.

Глава 3. Вопросы теории и проектирования микрофонов для специфических условий эксплуатации

3.1. Микрофоны для систем звукоусиления

3.1.1. Обоснование требований к техническим параметрам1.7.

3.1.2. Эксплуатационные испытания18.

3.1.3. «Скрытые» микрофонные системы•

3.2. Микрофоны для условий повышенного уровня шума.

3.2.1 .Идея и конструкция интерференционнобиградиентного микрофона

3.2.2. Основы теории и проектирования интерферен-ционно-биградиентного остронаправленного микрофона1.9.

3.3. Миниатюризация микрофонов

3.3.1. Причины и задачи миниатюризации2.1.

3.3.2. Тенденции изменения основных электроакустических параметров ненаправленных конденсаторных микрофонов при их миниатюризации2.1.

3.3.3. Изменения электроакустических параметров при миниатюризации однонаправленных конденсаторных микрофонов

3.3.4. Изменения электроакустических параметров при миниатюризации динамических катушечных микрофонов.

3.4. Выводы

Глава 4. Нелинейные искажения в конденсаторных микрофонах

4.1. Аналитический обзор и постановка задачи

4.2. Исследование факторов нелинейности преобразования звукового давления в смещение мембраны--------------2

4.2.1. Нелинейность, обусловленная упругой характеристикой мембраны

4.2.2. Нелинейность, обусловленная адиабатическим процессом при деформации воздуха в подмембранном объеме

4.2.3. Нелинейность фрикционного фактора в подмембранном зазоре

4.3. Нелинейности преобразования колебательного смещения мембраны в элетродвижущую силу

4.3.1. Нелинейность, обусловленная квадратичностью кулоновских сил

4.3.2. Нелинейность, возникающая из-за асимметрии коле, баний емкости преобразователя с учетом статического смещения

4.3.3. Модуляционная нелинейность емкости преобразователя

4.4. Сравнительная количественная оценка различных факторов нелинейности в капсюлях конденсаторных микрофонов

4.4. Системная нелинейная модель чувствительности капсюлей конденсаторных микрофонов

4.5.1. Нелинейная модель ненаправленного конденсаторного микрофона

4.5.2. Нелинейная модель направленного конденсаторного микрофона -----------:

4.6. Выводы

Глава 5. Разработка методов проектирования однонаправ-й ленных и комбинированных микрофонов.

5.1. Методика и алгоритмы проектирования динамического катушечного однонаправленного микрофона

5.1.1. Актуальность методики и содержание технического задания

5.1.2. Расчет подвижной системы

5.1.3. Расчет магнитной цепи

5.1.4. Расчет конструктивных и акустико-механических параметров капсюля.

5.1.5. Расчет чувствительности, уровня собственного шума, предельного уровня и параметров антифонной катушки

5.1.6. Поверочный расчет частотных характеристик чувствительности (ЧХЧ)

5.2. Методика и алгоритмы проектирования одномембранных конденсаторных микрофонов.3.2.

5.2.1. Актуальность методики и содержание технического задания

5.2.2. Предварительный расчет параметров преобразователя и размеров капсюля-----------------------------3

5.2.3. Предварительный расчет акустико-механических параметров капсюля

5.2.4. Расчет элементов внутренней структуры капсюля

5.2.5. Методика экспериментального определения акусти-ко-механических параметров капсюля

5.3. Метод проектирования одномембранных конденсаторных акустически комбинированных микрофонов

5.3.1. Сущность проблемы3.

5.3.2. Расчет капсюля - приемника разности давлении3.S

5.3.3. Расчет капсюля - приемника давления

5.3.4. Расчет акустически комбинированного одномембранного капсюля 3.

5.4. Методика проектирования и алгоритмы расчета двухмем-бранных конденсаторных микрофонов

5.4.1. Обоснование выбора принципиальной конструкции и техническое задание

5.4.2. Проектирование капсюля и алгоритм расчета основных параметров3.

5.4.3. Расчет динамического диапазона

Актуальность проблемы и предмет исследования.

В профессиональной звукотехнике наиболее широкое применение нашли микрофоны с односторонней характеристикой направленности (ХН), а также комбинированные (с возможностью оперативного изменения ХН). По принципу преобразования сигнала это одномембранные конденсаторные микрофоны (ОКМ) и двухмембранные (ДКМ), а также однонаправленные динамические катушечные (ОДМ). По оценочным данным перечисленные типы микрофонов составляют 93 - 95% микрофонного парка в студиях звукозаписи и системах звукоусиления.

Литература по технике и теории микрофонов насчитывает значительное количество работ, посвященных тем или иным аспектам приема и преобразоваш1я звука, расчету отдельных параметров микрофонных капсюлей, моделированию их акустикомеханических систем. Однако до последнего времени, как у нас в стране, так и за рубежом, разработка однонаправленных и комбинированных микрофонов, являющихся акустически наиболее сложными (по сравнению, например, с ненаправленными КМ или двусторонненаправленными), проводится в основном методами физического моделирования, осуществляемого путем последовательного эмпирического подбора отдельных конструктивных элементов. Последнее требует длительных и трудоемких экспериментов, эксплуатации дорогого измерительного оборудования. С другой стороны, такой подход во-первых, не гарантирует получения оптимальных, по совокупности требований ТЗ, параметров; во-вторых, часто приводит к появлению неоправданно сложных для технологического воплощения результатов; в-третьих, существенно затягивает и удорожает процесс разработки.

В современных экономических условиях (отсутствия у предприятий значительных собственных средств, длительного внешнего финансирования, жесткой конкуренции со стороны зарубежных фирм) разработка успсваст потерять актуальность, если от постановки задачи создания новой модели до выпуска партии изделий проходит более 3-4 месяцев, т.к. заказчик переключается на готовую модель другой фирмы, пусть даже более дорогую и менее технически подходящую для его целей.

Разрыв существующих в настоящее время теоретических результатов и практики разработки микрофонов объясняется также тем, что решение каждой частной проблемы, пусть и в корректной с математической точки зрения постановке, осуществляется обычно на основе специфических приемов интерпретации, которые трудно согласовать между собой, когда дело касается решения инженерной задачи проектирования конкретного устройства в целом. В теоретических работах часто делается ряд недостаточно обоснованных допущений, приводящих далее, при попытках практического использования, к неправильным результатам. В других случаях математический результат получается настолько сложным для физического осмысления, что становится неприемлемым для задач проектирования, решаемых обычно инженером. Наконец, целый ряд физических явлений, имеющих место в микрофонах, игнорируется и остается до сих пор за рамками теоретического рассмотрения.

В восьмидесятые годы появился ряд работ, посвященных вопросам проектирования некоторых типов микрофонов. К сожалению, в большинстве из них опускаются достаточно важные моменты теории, а в некоторых содержится и весьма произвольная трактовка исследуемых явлений, не выдерживающая серьезной критики.

Нужды развития данной отрасли техники, причем не столько сегодняшнего, сколько завтрашнего дня, требуют как проведения целого ряда дополнительных исследований, так и систематизации полученных ранее теоретических результатов, применительно к практическому решению задач комплексного акустического проектирования микрофонов. Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является:

- разработка на системной основе современной теории направленных и комбинированных микрофонов, адекватно отображающей картину реальных физических явлений, происходящих в процессе преобразования звукового в электрический сигнал;

- создание, на основе разработанной теории, методов комплексного аналитического проектирования различных типов микрофонов, наиболее широко применяемых в современных звукотехнических системах профессионального назначения. Для достижения этой цели в работе решаются следующие задачи:

1. Обоснование необходимости разработки комплексной системной модели наиболее сложных в акустическом отношении микрофонов.

2. Выявление в каждой подсистеме физических факторов, не рассмотренных ранее в литературе или недостаточно досконально исследованных, но оказывающих влияние на какие-либо параметры и характеристики микрофонов.

3. Исследование этих физических явлений, установление их аналитической зависимости с акустическими, конструктивными, электрическими и механическими параметрами микрофонов.

4. Количественное сопоставление значимости этих факторов для различных типов микрофонов и на различных участках частотного и динамического диапазона.

5. Построение системных аналитических моделей различных типов микрофонов, учитывающих в комплексе все количественно значимые для их характеристик физические факторы.

6. Создание методов и алгоритмов проектирования наиболее распространенных типов микрофонов, оптимально отвечающих совокупности заданных требований.

Методы и теоретические основы исследования.

Основу исследований, проводимых в настоящей работе, составили научные труды отечественных и зарубежных авторов, внесших значительный вклад в акустику, электроакустику, теорию приемников звука: А.А. Харкевича, В.В. Фурдуева, С.Н. Ржевкина, Д.В. Стретта (Релея), Ф. Мор-за, Е. Скучика, JL Беранека, А.Е. Робертсона, И.Б. Крендалла, Олсона, Л.Я. Гутина, В.К. Иофе, Я.Ш. Вахитова, А.Г. Римского-Корсакова, М.А. Сапож-кова и других.

В основе системного подхода, развиваемого в настоящей работе по отношению к микрофонам, лежит идея структурного анализа электроакустических аппаратов, предложенная А.А. Харкевичем. Для решения ряда частных задач в работе использовались методы теории акустического поля, в частности принцип акустической взаимности Гюйгенса и теорема Бабине, методы математической физики, теории упругости оболочек, метод электромеханических аналогий Белова, методы анализа электрических цепей, приближенные методы решения нелинейных уравнений, энергетические методы замещения распределенных систем эквивалентными им с сосредоточенными параметрами. В экспериментальной части использовались известные методы измерения электроакустических параметров микрофонов в звукомерной заглушённой камере (ЗЗК), установках «бесконечная труба», «труба-резонатор», «камера малого объема». Научная новизна исследования.

1. Поставлена и решена задача построения системной аналитической модели акустически сложных типов микрофонов (несимметричных приемников разности давлений и акустически комбинированных приемников), адекватно отражающая количественно значимые физические явления, происходящие на разных этапах преобразования звука в электрический сигнал.

2. Введено и обосновано новое научно-техническое понятие - частотно-пространственная характеристика чувствительности (ЧПХЧ) микрофона, дающее комплексное, синтезированное представление о связи частотных и пространственных свойств акустически сложных приемников звука.

3. Развиты научные представления о ряде физических факторов, влияющих на различные параметры и характеристики микрофонов, неотмеченные или неисследованные ранее в литературе:

- выявлены и исследованы причины осевой асимметрии характеристики направленности нескольких типов приемников звука;

- исследована угловая зависимость эквивалентной геометрической разности хода различных типов направленных приемников; полученные выражения учитывают, в отличие от классических представлений, влияние поперечных размеров и особенности конструкции реальных типов микрофонов;

- выявлен и исследован ряд физических факторов, приводящих к нелинейным искажениям на разных этапах преобразования больших звуковых давлений в электрический сигнал в капсюлях КМ.

4. Предложены и научно обоснованы идеи создания новых типов комбинированных микрофонов:

- остронаправленной биградиентно-интерференционной микрофонной системы, предназначенной для работы в условиях сильных шумов и вибраций;

- акустически комбинированного одномембранного конденсаторного микрофона без фазо-сдвигающей акустикомеханической цепочки.

5. Впервые в аналитическом виде получено решение следующих задач теоретической акустики, имеющих прикладное значение в области электроакустики:

- определение коэффициента дифракции при произвольном угле падения звука из переднего полупространства (0°^ в < 90°) на чувствительную поверхность, расположенную на торце цилиндра или диска, а также для «теневой дифракции» (в= 180°), что важно для моделирования пространственных характеристик;

- колебания круглой натянутой мембраны под действием неравномерно распределенной по ее поверхности силы;

- колебаний неоднородной круглой пластины (с жесткой центральной частью), на основе решения которой получены аналитические соотношения для расчета эквивалентной гибкости и эквивалентной площади куполообразной диафрагмы с тороидальным гофром, хорошо согласующиеся с классическими представлениями и данными экспериментов.

6. На основе решения ряда теоретических задач, результаты которых хорошо согласуются с экспериментальными данными, создана комплексная теория направленных и комбинированных микрофонов. Получены аналитические выражения для ЧПХЧ различных типов микрофонов, определяющие функциональную зависимость чувствительности от угла падения звука, волновых размеров микрофона и его акустических входов, соотношения геометрической разности хода и рабочего расстояния от источника звука, частотной зависимости импеданса акустико-механического звена и коэффициента электромеханической связи.

7. Впервые исследован ряд вопросов теории остронаправленных микрофонных систем интерференционного и биградиентно-интерференционного типов, связанных с определением угловой зависимости ХН в области низких частот, обоснованием требований к акустико-механическому звену составляющих систему капсюлей-премников разности давлений, конструкции интерференционной трубки.

8. Впервые проведен системный анализ причин нелинейных искажений в капсюлях КМ, позволяющий построить комплексные нелинейные аналитические модели их чувствительности. На основе аппроксимации этих моделей получены достаточно простые аналитические соотношения, позволяющие вычислить уровневую и частотную зависимость ГИ для различных типов капсюлей КМ с точностью, соизмеримой с погрешностью акустических измерений.

9. Впервые проведено системное исследование характера изменений совокупности основных электроакустических параметров микрофонов различного типа приема и преобразования при их миниатюризации.

Практическая значимость работы.

Разработаны комплексные аналитические модели и методы проектирования наиболее широко применяемых типов профессиональных микрофо-нов:

- односторонненаправленного динамического катушечного (ОДМ);

- одномембранного однонаправленного конденсаторного микрофона (ОКМ);

- двухмембранного (акустически комбинированного) конденсаторного микрофона (ДКМ);

- одномембранного акустически комбинированного конденсаторного микрофона, включающего методы проектирования ненаправленного и двунаправленного приемников звука, как составные части. Разработанные методы позволяют:

- повысить качество разработок, путем нахождения конструктивных решений, оптимально реализующих совокупность заданных электроакустических параметров;

- снизить себестоимость разработки за счет значительного сокращения трудоемкой и дорогостоящей процедуры физического макетирования микрофонов и эмпирической отработки их параметров, экономии материальных затрат, сокращения времени разработки в целом;

- произвести оценку корректности всей совокупности задаваемых заказчиком требований путем определения их реализуемости еще на предварительной стадии разработки;

- избежать сложных конструктивных решений, часто имеющих место при эмпирическом подходе к разработке;

- оптимизировать конструкцию, а значит и технологический процесс изготовления серийных изделий;

- задавать научно-обоснованные требования к параметрам и характеристикам микрофонов различного назначения на стадии ТЗ, а также в нормативно-тсхничсской документации и стандартах;

- оперативно реагировать на потребности рынка в создании и промыш-лешюм выпуске новых моделей микрофонов, копкуренпю-способпых на внутреннем и внешнем рынке.

Реализация и внедрение результатов работы.

Результаты диссертационной работы в виде методов проектирования, аналитических соотношений для расчета отдельных параметров и элементов микрофонов, научно-обоснованных рекомендаций, реализованы при проведении следующих ОКР, выполнявшихся во ВНИИРПА им. А.С.Попова с 1986 по 1994 год, в ООО «Микрофон - М» с 1995 по 2002 год при личном участии и под руководством автора.

1. Конденсаторные микрофоны, предназначенные для профессиональной звукозаписи, звукопередачи и звукоусиления музыки и речи в студиях и концертных залах:

- МКЭ-113 (после модернизации - МКЭ-13М) с кардиодной ХН, первый отечественный студийный микрофон с электретным неподвижным электродом;

- МК-120С - двухкапсюльный стереофонический конденсаторный двух-мембранный микрофон с переключаемыми характеристиками направленности;

- МКЭ-30 - с тремя сменными капсюлями с ХН «круг», «кардиоида», «суперкардиоида».

2. Микрофоны конденсаторные электретные остронаправленные МКЭ-28, МКЭ-29, МКЭ-31, предназначенные для репортажей, интервью в условиях повышенного шума, а также для работы совместно с видео- и кинокамерами профессионального назначения.

3. Микрофоны конденсаторные электретные, миниатюрные с суперкардио-идной характеристикой направленности, предназначенные для высококачественных систем звукоусиления речи, связи, конференцсистем:

- МКЭ-32 - с встроенной ветрозащитой;

- МКЭ-33 - диаметром 13мм;

- МКЭ-35 - диаметром 10мм;

4. Миниатюрные конденсаторные электретные микрофоны с ненаправленной ХН:

- МКЭ-19 - петличный;

- МКЭ-36 - для измерительно-вычислительного комплекса;

5. Микрофоны динамические катушечные с суперкардиоидной ХН для высококачественных СЗУ речи, связи, конференцсистем:

- МД-91 и его конструктивные модернизации МД-92 и МД-93;

- МД-98 с расширенной в области НЧ частотной характеристикой чувствительности;

- МД-99 - с уменьшенным диаметром капсюля;

- МД-97 - с встроенным виброамортизатором для использования в руках. Все вышеперечисленные модели выпускаются в настоящее время (кроме

МКЭ-19 и МК-120С) предприятием «Микрофон - М». Ими оснащены залы заседаний Верховного суда России, Федерального Собрания, Государственной Думы, Правительства России, ряд радио и телецентров России и республик СНГ. Наши микрофоны широко используются в студиях звукозаписи Великобритании, Дании, Испании, Португалии, Голландии, США, Австралии и других стран, что подтверждается публикациями в зарубежных журналах: Studio Sound (April 1995, Dec. 1997); Audio Media (April and Aug. 1997); Australial Digital; Play Record (Feb. 1998); Midas Heritage (Feb. 2000) и др.

Внедрение результатов в промышленное производство подтверждено соответствующими актами, а также информационно-техническими статьями ряда журналов [125; 127- 129].

Обоснованные в работе критерии реализации ЧПХЧ и их нормы использованы при разработке действующих стандартов на методы измерений электроакустических параметров микрофонов (ГОСТ 16123-88) и общие технические условия (ГОСТ 6495-89), одним из разработчиков которого является автор настоящей диссертации [120].

Апробация работы.

Отдельные положения и результаты, полученные в работе на разных стадиях ее выполнения докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях и семинарах:

- XIX, XX, XXI, XXII Всесоюзных научно-технических конференциях «Перспективы развития техники радиовещательного приема и акустики», Л., в 1981, 1983, 1985, 1988 гг.;

- X Всесоюзной Акустической конференции, М., 1983г;

- Всесоюзной школе-семинаре по электроакустике «ЭЛА» общества им. А.С.Попова и Союза кинематографистов, М-Л., 1982, 1984, 1985, 1987гг;

- II Всесоюзный научно-технической конференции «Проблемы и перспективы цифровой звукотехники», Л., 1990г;

- Конференции Всесоюзной ассоциации акустиков (ВАА) «Развитие научно-технического прогресса. Электроакустика и звукотехника», Севастополь, 1991г.;

- Всероссийской научно-практической конференции «Перспективы развития радиоприемной, электроакустической студийной и звукоусилительной техники. ЦРЛ-ИРПА - 70 лет», С-Пб, 1993г.;

- AES 21 st international conference ARCHITECTURAL ACOUSTICS AND SOUND REINFORCEMENT; 2002 June 1- 3 St. Petersburg. Результаты исследований также нашли применение в учебном процессе, в частности в курсах лекций, читаемых автором в Государственном Университете Кино и Телевидения «Электроакустическая аппаратура», «Расчет и конструирование электроакустической аппаратуры», курсовом проекте «Направленный динамический микрофон», ряде дипломных работ и проектов выпускников, монографии [133].

Основные положения выносимые на защиту.

1. Метод расчета коэффициента дифракции приемников звука при произвольном угле падения из переднего полупространства (0°< 9 < 90°) и заднего полупространства (0 = 180°) с учетом формы и волновых размеров капсюля, а также импеданса поверхности подвижной системы. Соответствующие методу аналитические выражения.

2. Метод расчета эквивалентной геометрической разности хода различных типов направленных и комбинированных микрофонов, учитывающий не только продольное расстояние между акустическими входами, но также поперечные размеры микрофонов и чувствительного элемента, особенности конструкции акустических входов.

3. Метод расчета реальных характеристик направленности для микрофонов с различным типом акустической антенны с учетом факторов осевой асимметрии, а также удаленности источника звука.

4. Принципы формирования и аналитические модели частотно-пространственных характеристик чувствительности микрофонов различного типа (ОКМ, ОДМ, ДКД, интерференционного).

5. Системную нелинейную аналитическую модель чувствительности капсюлей конденсаторных микрофонов различного типа с учетом ряда неисследованных ранее факторов нелинейности (упругости мембран, ф фрикционной, статического смещения).

6. Метод расчета гармонических искажений по второй и третьей гармонике в диапазоне частотнонезавйсимой чувствительности конденсаторных микрофонов. Соответствующие методу аналитические выражения.

7. Принципиальные конструкции, теорию работы и методы создания новых типов комбинированных микрофонов - одномембранного конденсаторного без фазосдвигающей цепочки и биградиентно-интерференцион-ного.

8. Метод расчета эквивалентной гибкости и эквивалентной площади куполообразной диафрагмы с тороидальным гофром и соответствующие аналитические выражения.

• 9. Методологические приемы и алгоритмы проектирования микрофонов различного типа на основе их аналитических моделей.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 33 работы, в том числе 10 тезисов докладов на всесоюзных, всероссийских и международных научно-технических и научных конференциях, 4 статьи в информационнотехни-ческих изданиях, подтверждающих -практическую реализацию результатов работы, 2 авторских свидетельства, 2 монографии. Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 136 наименований, семи приложений. Основной текст диссертации изложен на 304 страницах машинописного текста. Работа содержит 93 рисунка (45 страниц), 37 таблиц (33 страницы). Общий объем работы - 490 страниц.

4.6. ВЫВОДЫ

Раздел 4 посвящен построению нелинейной теории электростатических (конденсаторных) микрофонов.

Проведен аналитический обзор литературы, посвященной исследованию различных факторов, приводящих к нелинейным искажениям в электростатических преобразователях. Обоснована необходимость и поставлена задача дальнейших исследований в этом направлении. Проведен анализ как ранее известных, но не вполне исследованных факторов нелинейности, так и ряда не отмеченных ранее в литературе. С системных позиций эти факторы были разбиты на две группы:

- нелинейность, проявляющаяся при преобразовании звукового давления в смещение мембраны, т.е. чисто механические факторы;

- нелинейность, проявляющаяся при преобразовании колебательного смещения мембраны в выходное напряжение капсюля, т.е. нелинейность механо-электрического преобразования.

Таким образом, были физически выявлены, исследованы и построены частные математические модели следующих факторов нелинейности при больших звуковых давлениях: 1. Упругость мембраны

2. Адиабатический процесс деформации воздуха в подмембранных объемах

3. Фрикционный фактор в зазоре между мембраной и неподвижным электродом

4. Квадратичность кулоновских сил по отношению к напряжению

5. Асимметрия колебаний емкости преобразователя с учетом и без учета статического смещения мембраны.

6. Модуляционная нелинейность емкости преобразователя. Проведена сравнительная количественная оценка этих факторов, позволившая выявить наиболее значимые в реальных конструкциях капсюлей современных КМ.

На основе системного подхода построены комплексные нелинейные аналитические модели капсюлей различных типов КМ. Разработанная аналитическая модель позволяет по известным (или заданным) конструктивным и электрическим параметрам рассчитать любые виды нелинейных искажений. Так как с точки зрения восприятия и нормирования наиболее интересными практически являются гармонические искажения в диапазоне средних частот, то были получены упрощенные аналитические соотношения, позволяющие рассчитать наиболее значимые коэффициенты гармонических искажений К2 и К3. Экспериментальное исследование гармонических искажений в зависимости от уровня звукового давления, проведенное для измерительного микрофона МК-16 (подробнее об этом см. Приложение И), показало хорошее совпадение результатов с расчетными данными. Это подтверждает правильность предложенной нами системной аналитической модели и ее пригодность для расчета выходных нелинейных характеристик, как готовых, так и ожидаемых в проектируемых моделях микрофонов, а также позволяет при необходимости минимизировать величину НИ с учетом возможных изменений электрических и конструктивных параметров. Примеры расчетов гармонических искажений для различных типов КМ, как функции от уровня звукового давления и частоты, приведены в Приложении II.

Проведенные исследования позволяют сделать ряд выводов и дать

Заключение

В заключении сформулированы основные результаты проведенных в работе исследований, даны рекомендации по их практическому применению.

В диссертации решена проблема, имеющая важное значение для прикладной акустики и звукотехники: разработана комплексная теория направленных и акустически комбинированных микрофонов, адекватно отражающая все основные физические явления, имеющие место на разных этапах преобразования звукового сигнала в электрический в современных микрофонах. Решение этой комплексной проблемы стало возможным благодаря развитию и применению в работе системного подхода по отношению к акустически сложным микрофонам на разной стадии их исследования и анализа.

1. Аналитически рассмотрена и решена задача определения дифракционных поправок для торца цилиндрического приемника звука при произвольном угле падения (0°< в < 90е) звука из переднего полупространства и из заднего (в = 180°) полупространства. Аналитические соотношения для расчета коэффициентов дифракции при падении звука из переднего полупространства получены путем интегрального усреднения звукового давления с учетом фазовой скорости прохождения фронта звуковой волны по отражающей чувствительной поверхности и определения давления рассеиваемой части падающей волны, зависящей от ее нормальной составляющей. Показана аналитическая зависимость коэффициента дифракции с нормированным сопротивлением излучения аналогичного по форме и размерам объекта, что существенно упрощает процедуру расчета дифракционных поправок для различных типов приемников звука. Для падения звука из заднего полупространства задача решена энергетическим способом (на основании закона сохранения энергии). Результаты вычислений по полученным формулам хорошо (в пределах погрешности измерений) согласуются с экспериментальными данными.

2. Проведено исследование угловой зависимости эквивалентной геометрической разности хода звуковых давлений, воздействующих на первый и второй акустические входы микрофонов с различным типом акустической антенны. Получены аналитические зависимости для расчета геометрической разности хода при произвольном угле падения звука из переднего полупространства и для тылового падения с учетом поперечных размеров капсюлей и чувствительного элемента. Выявлены причины неравенства геометрической разности хода при фронтальном и тыловом падении звуковой волны для несимметричных конструкций одномембранных микрофонов. Обоснована необходимость учета этих факторов при проектировании однонаправленных динамических и конденсаторных микрофонов.

3. Выявлены причины осевой асимметрии характеристики направленности, имеющей место во многих моделях одномембранных однонаправленных микрофонов. Показано, что такая асимметрия проявляется заметнее при малом продольном расстоянии между акустическими входами и малом внутреннем сдвиге фазы давления в микрофоне, т.е. при стремлении разработчика получить в широком частотном диапазоне супер- и гиперкар-диоидные характеристики направленности. Основной причиной осевой асимметрии является неравномерное распределение отверстий второго входа по боковой поверхности капсюля микрофона (т.е. малый порядок их симметрии относительно оси микрофона).

4. Показано, что «классическая» аналитическая модель однонаправленного микрофона, базирующаяся на учете только продольного расстояния между акустическими входами и на соответствующей характеристике направленности в виде «улитки Паскаля», не соответствует реальному взаимодействию микрофона и звукового поля, а поэтому и не объясняет наличия исследованных нами факторов. Реально такая общепринятая аналитическая модель может служить лишь для качественного анализа отдельных аспектов направленности, но не может претендовать на строгую количественную оценку целого ряда факторов. Отвечающими традиционным представлениям можно считать только микрофоны, у которых расстояние между акустическими входами существенно превышает поперечные размеры, что в современных широкополосных микрофонах встречается крайне редко.

5. Введено новое научно-техническое понятие - частотно-пространственная характеристика чувствительности микрофона (ЧПХЧ), под которой понимается математическая модель, отражающая зависимость чувствительности одновременно от ряда параметров - частоты, угла падения звуковой волны относительно акустической оси микрофона, волновых размеров его акустических входов, расстояния до источника звука и др. ЧПХЧ дает наиболее полное представление о связи частотно-пространственных свойств акустически сложных приемников.

6. Разработаны математические модели ЧПХЧ акустически несимметричных однонаправленных динамического катушечного и одномембранного конденсаторного микрофонов. В отличие от классических представлений, полученные аналитические модели учитывают такие факторы, как дифракционные явления для обоих акустических входов при различных углах приема, конечность расстояния от микрофона до источника звука (сферичность фронта), неравенство фронтальной и тыловой геометрической разности хода, осевую асимметрию ХН.

7. Разработана аналитическая модель ЧПХЧ двухмембранных конденсаторных акустически комбинированных микрофонов современного типа (с совмещенным стоком НЭ). На базе анализа симметричных эквивалентных схем показано, что акустико-механическое звено таких микрофонов может быть представлено двумя более простыми ЭЭС, а ЧПХЧ рассчитана как алгебраическая сумма составляющих объемных смещений под действием сил давлений и их разности. Аналитическая модель учитывает явления фронтальной и теневой дифракции на ВЧ; соотношения геометрической разности хода и расстояния до источника звука в диапазоне НЧ; влияние площади напыления металла на мембране на ХН. Последний из упомянутых факторов впервые исследован в наших работах и ранее не был даже отмечен в литературе.

8. Теоретически обоснована идея создания одномембранного акустически комбинированного конденсаторного микрофона без внутренней фазосдви-гающей цепочки. Проведены теоретические и экспериментальные исследования колебаний плоской мембраны под действием неравномерно распределенной силы. На этой основе построена механическая модель и эквивалентные схемы такого микрофона, методы определения зон динамического равновесия между участками мембраны, колеблющимися под действием сил давления и их разности, что позволяет рассчитать параметры электродов в зависимости от заданной ЧПХЧ.

9. Разработаны вопросы теории комбинированного остронаправленного микрофона, состоящего из интерференционной трубки и капсюля-приемника разности давлений. Исследованы не отмеченные ранее в специальной литературе физические причины отличия ХН такого микрофона от ХН отдельного капсюля для НЧ диапазона, а также причины осевой асимметрии ХН. Получены аналитические выражения для угловой зависимости геометрической разности хода и ХН для НЧ диапазона с учетом не только угла падения звука в относительно оси микрофона, но и угла ф относительно осей отверстий волновода. Данные проведенных экспериментальных исследований подтверждают теоретические положения работы, что позволяет дать практические рекомендации для разработки и проектирования:

- для получения в НЧ диапазоне требуемой ХН величину импеданса второго входа капсюля следует согласовывать с геометрической разностью хода всего микрофона с учетом длины волновода;

- для получения осевой симметрии ХН следует отверстия в интерференционном волноводе располагать в виде нескольких параллельных рядов вдоль волновода, так чтобы расстояния между рядами были меньше полуволнового размера на верхней граничной частоте.

10. Найдено решение теоретической задачи колебаний неоднородной круглой пластины (с жесткой центральной частью). На его основе получены аналитические соотношения для расчета эквивалентной площади куполообразной диафрагмы и ее гофрированной части, а также эквивалентной гибкости гофра, что восполняет существенные пробелы в теории динамических микрофонов. Полученное аналитическое выражение для расчета гибкости хорошо согласуется (в отличие от формулы Гутина) с классическими выражениями для расчета гибкости однородных пластин, а также с экспериментальными данными.

11. Впервые проведено системное исследование физических факторов, приводящих к нелинейным искажениям (НИ) в различных звеньях КМ. Выявлен ряд неотмеченных в литературе, а также неисследованных ранее причин нелинейности. Построены частные математические модели этих явлений, устанавливающие зависимость величины искажений от акустических, механических, конструктивных и электрических параметров микрофонов. В результате объединения и аппроксимации наиболее значимых факторов получена системная нелинейная модель капсюля, позволяющая достаточно точно вычислить уровневую и частотную зависимость чувствительности и гармонических искажений (ГИ) для различных типов КМ. Проведены экспериментальные исследования, результаты которых хорошо согласуются с расчетными. Проведенные исследования позволяют сделать выводы и дать практические рекомендации по минимизации ГИ на этапе проектирования микрофонов:

- ГИ в капсюлях конденсаторных микрофонов при уровнях звуковых давлений до 160 дБ определяются величиной второй и третьей гармоник (А*2 и Кз) и практически не зависят от частоты сигнала в области частотнонезависимой чувствительности;

- величина второй гармоники К2 пропорциональна отношению эквивалентного смещения мембраны к величине зазора, а третьей К3 - квадрату этого отношения;

- количественная значимость различных физических факторов в появлении нелинейных искажений сильно зависит от типа конденсаторного микрофона;

- расчеты ГИ для ряда капсюлей студийных КМ, показывают, что их величина превышает 0,5% уже при уровнях звуковых давлений 130 — 135 дБ, поэтому принятое в мировой практике нормирование предельных уровней в 140 дБ и выше по величине ГИ предусилителей не соответствует реальному положению и является неправомерным;

- уменьшение ГИ капсюлей может быть достигнуто на этапе их проектирования путем увеличения натяжения мембраны, поляризующего напряжения U0, при одновременном увеличении ширины зазора 8);

- существенного уменьшения ГИ в направленных и комбинированных микрофонах можно добиться уменьшением активной составляющей сопротивления воздуха в зазоре по сравнению с щелью, а также (по четным гармоникам) применением «дифференциального» симметричного преобразователя.

12. Предложена и обоснована идея создания новой остронаправленной микрофонной системы, названной условно «биградиентно-интерференцион-ной», предназначенной для работы в условиях сильных шумов и вибраций. Созданы теоретические предпосылки для проектирования такой системы.

13. Обоснованы требования к ЧПХЧ и конструкции микрофонов для высококачественных СЗУ речи на основе учета целого ряда эксплуатационных факторов (акустических условий различных мест размещения микрофонов, воздействий низкочастотных вибрационных и ветровых помех, электромагнитных полей и т.д.)

14. Впервые проведено системное исследование изменения совокупности основных электроакустических параметров микрофонов различного типа приема и преобразования от их размеров, позволившее определить какие типы микрофонов и до каких размеров целесообразно уменьшать для конкретных условий эксплуатации (в качестве измерительных, петличных, студийных, для СЗУ и т.д.)

15. На основе разработанной теории и построенных системных математических моделей наиболее распространенных типов профессиональных микрофонов созданы аналитические методы их проектирования (однонаправленных динамических катушечных и конденсаторных одномембранных, акустически комбинированных одномембранных и двухмембранных конденсаторных), позволяющие по совокупности заданных технических параметров рассчитать оптимально соответствующую им конструкцию капсюля. Созданные аналитические методы позволяют также, при необходимости, на предварительном этапе работы, определить реализуемость совокупности заданных параметров и найти способы этой реализации.

16. Прикладная сторона работы не ограничивается созданными детальными аналитическими методами проектирования конкретных типов микрофонов, апробация которых проведена на практических разработках целого ряда моделей конденсаторных и динамических микрофонов. Например, методы проектирования ненаправленного и двунаправленного КМ могут быть получены путем ряда упрощений приведенных методов проектирования комбинированных КМ, т.к. являются их частными случаями. Разработанная теория также может служить основой для создания методов проектирования различных остронаправленных систем.

1. Харкевич А. А. Теория электроакустических аппаратов.-M.-JI: Связьиздат, 1940.

2. Фурдуев В. В. Электроакустика.- M-JI: ОГИЗ, 1948.

3. Фурдуев В. В. Акустические основы вещания.- М: Связь, 1960.

4. Robertson А. Е. Microphones.- London-New-York: Hay den book, 1963.

5. Вахитов Я. Ш. Теоретические основы электроакустики и электроакустическая аппаратура.- М: Искусство, 1982.

6. Римский-Корсаков А. В. Электроакустика.- М: "Связь", 1973.

7. Сапожков М. А. Электроакустика.- М: Связь, 1978.

8. Jones D. S. The scattering of a skalar ware by a semi- infinite rod of circular cross section // Phil Trans, 1955, № 247A.- P. 498-528.

9. Петрицкая И. Г. К расчету звукового давления вблизи импедансного торца полубесконечного цилиндра // ВРЭ, сер. ТРПА, вып.З, 1968.- С. 79-85.

10. Петрицкая И. Г. Расчеты коэффициентов дифракции измерительных микрофонов и зондов // ВРЭ, сер. ТРПА, вып.2, 1975.- С. 112-116.

11. Савельев И. В. Курс общей физики. Т 1.- М: Наука, 1970.

12. Вахитов Я. Ш. Расчет акустических параметров конденсаторного микрофона// ТКТ, 1968, №5.

13. Skvor J. On the Acoustical Resistance one to Viscous Lesses in the Air Gap of Electrostatic Transdusere // Acustica, v. 19, № 5, 1967/1968.

14. Петрицкая И. Г. К расчету сопротивления тонкого слоя воздуха между мембраной и неподвижным электродом в конденсаторном микрофоне // ВРЭ, сер. ТРПА, вып. 2, 1961.

15. Крендалл И. Б. Акустика. Л.: ВЭГА-КУБУЧ, 1934. - С. 21-34.

16. Волков P. JT. Об акустическом сопротивлении воздушного слоя // Техническая физика, VI, вып. 2, 1936.

17. Семякин Ф. В., Хохлов А. Д. Экспериментальное исследование ненаправленных конденсаторных микрофонов // Труды ЛИКИ. Вып. 10, 1964.

18. Петрицкая И. Г., Семякин Ф. В. К вопросу о соответствии теоретических и экспериментальных величин сопротивления тонкого слоя воздуха // Акустический журнал, т. 13, вып. 3, 1967.

19. Robber R. J. Difraction Constants of Transducers // JASA, v 37, № 4, 1965.

20. Ривин A. H. и Черпак В. А. Метод измерения и расчета коэффициента дифракции микрофонов // Акустический журнал, т. 5, вып. 3, 1959.

21. Hayasaka Т. Membran Air-Film-Sistem // Nippon Elektr. Commun, Eng., 1941, №23. -P. 180-185.

22. Smith В. H. An investigation of the air chamber of horn type loudspeakers // JASA, 1953, 25, № 2. P. 305.

23. Robey D. H. Theory of the effect of a thin air film on the vibrations of a stretched eireular membrane // JASA, 1954, 16, № 5. P. 738-745.

24. Петрицкая И. Г. Расчет коэффициента дифракции для приемника звука цилиндрической формы. Деп. № 3-4353 (НИИЭР).

25. Лэмб Г. Динамическая теория звука. М.: Госиздат, физ.-мат. литературы, 1960.-С. 194-200.

26. Muller G., Blach R., Dadis Т. E. The diffraction prodused by cylindrical and cubical obstacles and by circular and cubical plates // JASA, 1938, v. 10, № 1. — P. 6-13.

27. Koidon W., Siedel D. S. Free-Fild Correction for Condenser Microphones // JASA, 1964, v. 36, № 11. P. 2233-2234.

28. Henriuens T. A. Diffraction constant of acoustical Transducers // JASA, 1964, v.36.-P. 267-269.

29. Nimura and Watanabe Effect of a Finite circular Baffle Board an acoustic Radiation // JASA, 1953, № 1. P. 76-80.

30. Schwinger T. Piston of the End of a Long Tube // Phys-Rev., 79, 383, 1948.

31. Williams W.E. Diffraction by a cylinder of finite length // JASA, v. 28, 1956.

32. Jain D. L. and Kanwal R. P. Acoustic Diffraction by a Rigid Annular Digle // Journ. of Engineering Mathematics, v. 4, № 3, July 1970.

33. ИофеВ. К., Янпольский А. А. Расчетные графики и таблицы по электроакустике. M.-JL: ГЭИ, 1954.

34. Иофе В. К., Корольков В. Г., Сапожков М. А. Справочник по акустике. М.: Связь, 1979.

35. Хохлов А. Д., Семякин Ф. В. Эквивалентные схемы ненаправленных конденсаторных микрофонов // Труды ЛИКИ, вып. 10, 1964.

36. Янпольская Б. Б., Эстрин Е. С. Конденсаторный микрофон с переменной направленностью// Киноаппаратура, вып. 10, 1964.

37. Беранек А. Акустические измерения. М.: ИЛ, 1952.

38. Олсон и Масса. Прикладная акустика. — М.: Радиоиздат, 1938.

39. Nakajima Н., Jamamoto Т. Directional Microphones: analyses and application. NHK Technical Monograph, 1964. P. 3-32.

40. Нечаева В. А., Семякин Ф. В., Юдин М. Г. О влиянии пространственной несовмещенности двух акустически комбинированных приемников на направленность электрически комбинированного микрофона // Труды ЛИКИ, вып. 28, 1976.

41. Вахитов Я. Ш. К расчету предельных значений поляризующих напряжений электростатических преобразователей звука// Труды ЛИКИ, вып. 10, 1964.

42. Вахитов Я. Ш. Об учете поляризованности преобразователя при расчете чувствительности электростатических приемников звука // Труды ЛИКИ, вып. 18, 1972.

43. Anderson S. Н., Ostensen F. С. Physical Review (2), v. 31, 1928. P. 267.

44. Стретт (Рэлей) Д. В. Теория звука. Т1. М.: гос. изд. тех-теор. литературы, 1955.

45. Вахитов Я. Ш., Смирнова Н. А. Электродинамические громкоговорители. Расчет и проектирование. Л.: изд. ЛИКИ, 1985.

46. Скучик Е. Основы акустики. Т.1и 2. М.: ИЛ, 1958.

47. Дрейзен И. Г. Электроакустика и звуковое вещание. — М.: Связьиздат, 1961.

48. Скучик Е. Основы акустики. Т.1 и 2. М.: Мир, 1979.

49. УорренДж., Хортон. Основы гидролокации. Судпромгиз, 1961.

50. Ржевкин С. Н. Курс лекций по теории звука. М.: Изд. МГУ, 1960.

51. Лепендин JL Ф. Акустика. М.: Высшая школа, 1978.

52. Мак-Лаклен Громкоговорители. М.: Радиоиздат, 1938.

53. Морз Ф. Колебания и звук. М.-Л.: ГИТТЛ, 1949.

54. Гутин Л. Я. Избранные труды. Л.: Судостроение, 1977. - С. 72-94.

55. Брюль и Кьер Конденсаторные микрофоны и предусилители. -Руководство по теории и эксплуатации. 1976.

56. Sims С. Standard Calibration Hybrophone // JASA, v. 31, № 12, 1959.

57. Бронштейн и Семендяев Справочник по математике. М.: Наука, 1967.

58. Анерт В. и Райхард Б. Основы техники звукоусиления. М.: Радио и связь, 1984.

59. Иофе В. К. О расчете односторонне направленного микрофона. // Техническая физика, т. 9, вып. 13, 1939. С. 12-13.

60. Бабурин В. Н., Гензель Г. С., Павлов Н. И. Электроакустика и радиовещание. М.: Связь, 1967.

61. ГОСТ-16123-79. Микрофоны. Методы электроакустических испытаний.

62. Стандарт МЭК. Публикация 268-4. Звуковые системы. Часть 4. Микрофоны., 1978.

63. ГОСТ 6495-89. Микрофоны. Общие технические условия.

64. Стандарт МЭК. Публикация 581-5. Аппаратура и системы высокой верности воспроизведения. Минимальные требования к параметрам. Часть 5. Микрофоны.

65. Иофе В. К. Некоторые вопросы приема и воспроизведения звука. Доклад на соиск. уч. ст. д.т.н. М, 1970.

66. Ахматов А. А. Исследования радиоакустических систем. Автореф. дис. на соиск. уч. ст. к.т.н. Л, 1970.

67. Грилихес Н.И. Разработка метода синтеза односторонне направленных динамических микрофонов комбинированного типа с двумя акустическими входами. Автореф. дис. на соиск. уч. ст. к.т.н.- JL, 1989.

68. Грилихес Н.И. Анализ вибровосприимчивости микрофонов // ТСС, сер. ТРПА, вып. 2, 1979.

69. Стандарт DIN-45589. Требования к микрофонам для конференций и учебных классов.

70. Элкин Е.Т.М. Звук и изображение. Звукотехника в телевидении и кино.-М.: Связь, 1978.

71. Wahlstrom Sten. The parabolic reflector as an acoustic amplifier // JAES, Vol. 33, № 6, 1985, June.

72. Мазин В. Ю. Разработка метода проектирования узла. Магнитная цепь-звуковая катушка электродинамических громкоговорителей с учетом влияния магнитного поля на нелинейные искажения. Автореф. дис. на соиск. уч. ст. к.т.н.- СПб., 1997.

73. Индлин Ю.А. Заметность гармонических искажений // ТКТ, 1985, № 3.-С.3-10.

74. Ernsthausen W. Uber Verzerrungen des Niedertrequenz Kondensatormikro-phons. Archive fur Electronic, 1937, v 31. P. 487.

75. Hillard J. K., Fiata W. T. Condenser Microphones for Measurement of High Sound Pressures // JASA, 1957, v. 29, № 2. P. 254.

76. Семякин Ф. В. Исследование и разработка конденсаторных приемников высоких избыточных давлений. Автореф. дис. на соиск. уч. ст. к.т.н. Jl.,1968.

77. Семякин Ф. В. Дипломное и курсовое проектирование конденсаторных микрофонов.- Л.: изд. ЛИКИ, 1981.-С. 10-12.

78. Frederiksen Е. Condenser Microphones Used as Sound Sources // Tehnical Review Bruel and Kjaer, 1977, № 3.- P. 3-23.

79. Шрайбман А. Э. Комплексная методика расчета преобразователей одно-мембранных конденсаторных микрофонов и построение на ее основе микрофона с улучшенными характеристиками. Автореф. дис. на соиск. уч. ст. к.т.н. -М., 1989.

80. Шрайбман А. Э. Нелинейные искажения в преобразователях конденсаторных микрофонов.- М.: НТС НИКФИ, 1986. С. 83-101.

81. Горелик В. М., Неверовский К. В., Усачев В. В., Шрайбман А. Э. Новый профессиональный конденсаторный микрофон KMC 19-11 для системы "Суперфон". -М.: НТС НИКФИ, 1986. С. 63-82.

82. Андреева JI. Е. Упругие элементы приборов. М.: Машиностроение, 1981.

83. Хофман Д. Техника измерений и обеспечение качества. М.: Энергоиздат, 1983.

84. Семякин Ф. В. Электроакустическая аппаратура. (Микрофоны), Л, изд. ЛИКИ, 1976.

85. Грилихес Н.И. Ленточный микрофон повышенной направленности МЛ-18 // ВРЭ, сер. ТРПА, вып. 2, 1967.

86. Иофе В. К. О рациональных требованиях к характеристикам направленности односторонне направленных микрофонов // ВРЭ, сер. ТРПА, № 3, 1960.

87. ГОСТ 16123-88. Микрофоны. Методы измерений электроакустических параметров. М., 1989.

88. Краткие каталоги ф. Брюль и Къер. Электронные измерительные приборы. (1971). Измерительная, анализирующая и регистрирующая аппаратура. (1980).

89. Шик Август. Психологическая акустика в борьбе с шумом. СПб., изд. «Балтийский ГТУ», 1995.

90. Папернов Л. 3., Молодая Н. Т., Метер Ч. М. Расчет и проектирование систем озвучения и звукоусиления в закрытых помещениях. М.: Связь, 1970.

91. Сапожков М. А. Акустика. Справочник. М.: Радио и связь, 1989.

92. Давыдов В. В. Акустика студий и кинотеатров. Л.: изд. ЛИКИ, 1987.

93. Алдошина И. А. и др. Бытовая электроакустическая аппаратура. Справочник. М.: Радио и связь, 1992.

94. Грилихес Н.И. Взаимосвязь характеристик однонаправленных динамических микрофонов // ТСС, сер. ТРПА, вып. 3, 1985.

95. Устинова JI. Б. Усилитель с низким уровнем шума для широкополосного конденсаторного микрофона // Труды ИРПА, вып. 8, 1957.

96. Ахматов А. А., Беляков В. И. Применение металлических мембран в малогабаритных микрофонах// Киноаппаратура, вып. 10, 1978.

97. Bruel & Kjxr Professional Audio Solutions. Series 4000 Professional Microphones, 1998.

98. Щевьев Ю.П. Физические основы архитектурно-строительной акустики.-СПб.: изд. СПбГУКиТ, 2001.

99. Вахитов Я. III., Смирнова Н. А., Уваров В. К. Струйный метод определения акустических параметров межэлектродного зазора двухмембранных конденсаторных микрофонов // ТСС, сер. ТРПА, вып. 2, 1990, С. 64-71.

100. Исследование и разработка новых типов микрофонов для профессиональных целей, бытовой АМЗ и систем звукоусиления.

101. Тех. отчет ВНИИРПА им. А. С. Попова № 330172, УДК 621.395.61.

102. АВТОРСКИЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ РАБОТЫ

103. Экспериментальное исследование работы электростатического преобразователя в двухмембранном конденсаторном микрофоне в однонаправленном режиме // ТСС, сер. ТРПА, вып. 3, 1980.- С. 83-87.

104. Исследование акустико-механической системы однонаправленного двух-мембранного конденсаторного микрофона. Тезисы док. 19ВНТК Перспективы развития ТРПА. Л., 1981.

105. К вопросу о расчете дифракционной поправки для приемников звука. Деп. ВИНИТИ 24 авг. 1983, № ДО 5336. 7с.

106. Теоретическое исследование акустической системы однонаправленного двухмембранного микрофона и расчет частотной характеристики чувствительности // ТСС, сер. ТРПА, вып. 2, 1982. С. 47-52.

107. Анализ акустико-механических систем преобразователей двухмембранных конденсаторных микрофонов (совм. с В.К. Иофе). Тезисы док. 10 Всесоюзной акустической конференции. М., 1983. - 4с.

108. Анализ влияния формы фронта звуковой волны на направленность комбинированных микрофонов. Тезисы док. 20ВНТК "Перспективы развития ТРПА". Л., 1983.

109. О расчете коэффициента дифракции на торце цилиндрического приемника для наклонного падения звука. Деп. ВИНИТИ 24 апр. 1984, № ДО 5814. 7с.

110. Зависимость перепада уровней фронтальной и тыловой чувствительности направленных микрофонов от характера звукового поля. Деп. ВИНИТИ, 17 мая 1984, № ДО 5923.- Юс.

111. Методика синтеза двухмембранных конденсаторных микрофонов с заданными электроакустическими характеристиками // ТСС, сер. ТРПА, вып. 2, 1984.-С. 42-51.

112. Исследование двухмембранных конденсаторных микрофонов и создание на их основе комплексной расчетной методики. Дис. на соиск. уч. ст. к.т.н. — М., 1984 (на правах рукописи).

113. Автореферат, дис. на соиск. уч. ст. к.т.н., М., 1984 (на правах рукописи).

114. О тенденциях изменения некоторых электроакустических параметров конденсаторных микрофонов при их миниатюризации // ТСС, сер. ТРПА, вып. 3, 1985.-С. 53-59.

115. Некоторые принципиальные вопросы миниатюризации однонаправленных микрофонов. Тезисы док., 21 ВНТК "Перспективы развития ТРПА". Л., 1985.

116. К вопросу о нормировании частотно-пространственной характеристики чувствительности направленных микрофонов, (совм. с Н. И. Грилихес). Тезисы док. 21 ВНТК "Перспективы развития ТРПА". Л., 1985.

117. Гармонические искажения в преобразователях конденсаторных микрофонов. (совм. с В. И. Ильяшуком). Деп. ВИНИТИ 25 февр. 1987, № Д07140. 33с.

118. Нелинейные искажения в конденсаторных микрофонах при высоких уровнях звуковых давлений // ТСС, сер. ТРПА, вып. 1, 1987. С. 60-71.

119. Разработка новой номенклатуры микрофонов профессионального назначения. (совм. с А. А. Ахматовым и А. С. Барановым). Тезисы док. 22 ВНТК "Перспективы развития ТРПА и звукоусиления". Л., 1988.

120. К вопросу о выборе микрофонов для систем звукоусиления. Тезисы док. 22 ВНТК "Перспективы развития ТРПА и звукоусиления". — JL, 1988.

121. Некоторые вопросы проектирования микрофонов для систем звукоусиления // ТСС, сер. ТРПА, вып. 3, 1989. С. 3-9.

122. ГОСТ 6495-89. Микрофоны. Общие технические условия. М.:

123. Изд. стандартов, 1989. (совм. с Е. К. Горбуновой, А. С. Осташевым, И. И. Галкиной). 12с.

124. Тенденции развития микрофонной техники для цифровых звуковых трактов и требования к ней. Тезисы док. 2 ВНТК "Проблемы и перспективы цифровой звукотехники". JL, 1990.

125. О соответствии характеристик направленности реальных микрофонов «улитке Паскаля» // ТСС, сер. ТРПА, вып. 2, 1990. С. 55-64.

126. Микрофонное устройство. Авт. свидетельство на изобретение1818714. Приор, от 28. 06. 91. (совм. с Е. Ф. Матросовым и О. В. Чертоли-ной). 5с.

127. Основные тенденции развития микрофонной техники // Радио, № 8, 1993.-С. 12-14.

128. Магнитная цепь динамического микрофона. Авт. свидетельство на полезную модель № 1589 RUU 1. Приоритет от 20. 09. 94. (совм. с В. И. Ильяшуком и О. В. Чертолиной).

129. Современные микрофоны и их применение. Ч. 1 // Радио, № 11, 1998. — С. 16-18.

130. Современные микрофоны и их применение. Ч. 2. // Радио, № 12, 1998. -С. 17-19.

131. Микрофоны фирмы "Микрофон-М" // Звукорежиссер, № 1, 2000. -С. 21-22.

132. Теория и некоторые проблемы проектирования остронаправленных микрофонов с антенной бегущей волны // Прикладная акустика, 2000, электронная публикацмя, сайт eeaa@on LINE.RU.

133. Problems of theory and designing for directional interference microphones, 21st. AES Conference Paper, 2002, June 1-3, St.Petersburg, p. 287-289.

134. Nonlinear model of condenser microphone capsule, 21st. AES Conference Paper, 2002, June 1-3, St.Petersburg, p. 130-132.

135. Динамические микрофоны. Монография.- СПб.: изд. СПбГУКиТ, 2002.-147с.

136. Теоретические и прикладные аспекты миниатюризации микрофонов // ТКТ, № 3, 2003.-0,75 печ.л.

137. Частотно-пространственная характеристика чувствительности микрофонов для звукоусиления и аудио- видеоконференцсвязи // ТКТ, № 7, 2003.- 0,75 печ.л.

138. Современные микрофоны. Теория, проектирование. Монография. СПб: изд. СПбГУКиТ, 2003. - 395с (24,5 печ. л.)