Elektronika (3. ročník) PDF

Elektronika (3. ročník) Řecká abeceda 1  Elektroakustika Základní pojmy Zvuk je mechanické vlnění, které se může šířit pomocí částic pružného hmotného prostředí (n...

Elektronika (3. ročník) Řecká abeceda 1  Elektroakustika Základní pojmy Zvuk je mechanické vlnění, které se může šířit pomocí částic pružného hmotného prostředí (např. vzduch, voda, pevné látky). o Pružné = materiály, které mají schopnost vrátit se zpět do původního tvaru nebo stavu po deformaci o Mechanické = šíří prostřednictvím pohybu částic v prostředí, kde se částice (např. molekuly vzduchu) pohybují tam a zpět Zvuková vlna je postupné zhušťování a zřeďování částic šířící se pevným, kapalným i plynným určitou rychlostí od zdroje všemi směry. o Oblast zhušťování = oblast ▪ Membrána reproduktoru se pohybuje díky elektrickému signálu, který aktivuje elektromagnet. Zhušťování a zřeďování částic se týká toho, jak se zvukové vlny šíří. Když zvuková vlna prochází prostředím, způsobuje střídavé zhušťování (když jsou částice blíže k sobě) a zřeďování (když jsou částice dále od sebe) částic v tomto prostředí. Rychlost zvukové vlny závisí nejen na fyzikálním stavu okolí (tj. teplotě, tlaku a vlhkosti, ve kterém se šíří zvuk při 20 °C teploty vzduchu). Akustika je odvětví fyziky, které se zabývá vznikem, šířením a působením zvuku ve frekvenčním rozsahu, který je schopen zachytit lidský sluch. Elektroakustika je oborem akustiky, který se zabývá vznikem, šířením a působením akustických signálů elektrickou cestou, jejich záznamem a reprodukcí (přehrávání, opakování). Rychlost zvukové vlny závisí na: Fyzikálním stavu okolí (teplota, tlak, vlhkost) Hustotě prostředí Hustší prostředí = rychlejší přenos zvuku Vyšší teplota = rychlejší přenos zvuku Rychlost zvuku ve vzduchu (při 20°C): cca 343 m/s Rychlost zvuku v kapalinách a pevných látkách: Voda: 1500 m/s Hliník: 5100 m/s Délka zvukové vlny (λ): vzdálenost mezi místy s maximálním nebo minimálním zhuštěním částic Frekvence zvuku (f): počet zvukových vln za jednotku času Vzorec: λ=fv 2  v: akustická rychlost v daném prostředí Akustický tlak: proměnný tlak způsobený šířením akustické vlny (v Pa) Akustická rychlost: rychlost kmitání částic v prostředí okolo své rovnovážné polohy (m/s) Vlnoplocha: místa v prostoru, kde mají kmitající částice stejnou fázi kmitání Akustické pole: Kulové: zvukové vlny se šíří od bodového zdroje rovnoměrně všemi směry Rovinné: akustické pole v omezeném prostoru, kde vlnoplochy lze považovat za rovinné Lidský sluch: Vnímání vlnění s frekvencí přibližně od 20 Hz do 16 kHz Individuální rozdíly v horní hranici slyšitelnosti Někteří lidé slyší nad 16 kHz Infrazvuk: vlnění pod 16 Hz Ultrazvuk: vlnění nad 20 kHz Poznámka: S věkem horní hranice slyšitelnosti klesá (asi o 1 kHz za každých 10 let) U starších lidí může klesnout na cca 13 kHz nebo méně V rušném prostředí může horní hranice slyšitelnosti stoupat Tón: Periodické neharmonické kmitání Výška tónu určena frekvencí první harmonické složky Čistý tón: sinusová akustická rychlost částic Složitý periodický, nesinusový průběh: obsahuje vyšší harmonické složky Barva tónu určena kmitočtem a amplitudou vyšších harmonických složek Hluk: vzniká při neperiodickém kmitání částic Hudební tón: periodické neharmonické kmitání Obrázek zobrazuje šíření zvukových vln ve vzduchu. Zleva je zdroj zvuku (nakreslen jako reproduktor), který vysílá zvukové vlny. Tyto vlny vytvářejí střídavá zhuštění a zředění vzduchu, což je základní mechanismus šíření zvuku. Vlnoplochy (nakreslené jako soustředné kruhy) označují místa, kde mají všechny částice vlnění stejnou fázi kmitání. Vlnoplochy se šíří od zdroje, přičemž střídavě označují zhuštění a zředění vzduchu. Vzdálenost mezi dvěma po sobě jdoucími vlnoplochami je vlnová délka zvuku (λ). Hlasitost (akustický tlak): Subjektivní fyziologický pojem intenzity sluchového vjemu Ovlivněna intenzitou zvuku a kmitočtem 3  Akustický tlak se udává jako hladina akustického tlaku (L) Vzorec: (dB, Pa) o P: velikost akustického tlaku o P₀: referenční akustický tlak (2·10⁻⁵ Pa), odpovídá prahu citlivosti ucha při 1000 Hz u dobře slyšící osoby Základní vlastnosti mikrofonů Citlivost: o Poměr napětí na svorkách mikrofonu k akustickému tlaku. o Závisí na směru dopadu akustického vlnění a na frekvenci. o Udává se pro frekvenci 1 kHz v jednotkách [mV.Pa⁻¹]. Amplitudová kmitočtová charakteristika: o Závislost výstupního napětí mikrofonu na kmitočtu při stálém budícím akustickém tlaku. o Místo výstupního napětí se většinou uvádí úroveň měřeného napětí. o Charakteristika je většinou uváděna graficky. o Frekvenční rozsah je rozmezí, ve kterém citlivost nepoklesne o více než 3 dB. Vysvětlení grafu: o Dolní graf zobrazuje amplitudovou kmitočtovou charakteristiku mikrofonu. o Vodorovná osa: frekvence v kilohertzích (kHz). o Svislá osa: úroveň napětí v decibelech (dB). o Graf ukazuje závislost citlivosti mikrofonu na frekvenci zvuku. o Pásmo, kde se citlivost mění o méně než ±3 dB, představuje frekvenční rozsah mikrofonu. o Oblast A: úroveň citlivosti (napětí) mikrofonu. o Oblast B: frekvence splňující kritérium nepoklesnutí o více než 3 dB, definující použitelný frekvenční rozsah mikrofonu. 4 Obrázek 1: Amplitudová kmitočtová charakteristika mikrofonu Směrová charakteristika: o Udává závislost citlivosti mikrofonu na směr, ze kterého se šíří zvuková vlna. o Zakresluje se v polárních souřadnicích. o Tvar směrové charakteristiky závisí na druhu mikrofonu a frekvenci zvuku. Základní provedení mikrofonů Vysvětlení směrových charakteristik mikrofonů na obrázku: 1. Kulová (a) – Tento typ mikrofonu má směrovou charakteristiku rovnoměrnou ve všech směrech, což znamená, že zachycuje zvuk stejně dobře z jakéhokoli úhlu. Tento typ je vhodný pro snímání zvuku ve všech směrech kolem mikrofonu. 2. Osmičková (b) – Tento typ mikrofonu je citlivý na zvuk přicházející z přední a zadní strany, ale ignoruje zvuk z bočních stran. Charakteristika připomíná tvar osmičky, a je vhodná například pro rozhovory mezi dvěma osobami sedícími naproti sobě. 3. Kardioidní (c) – Tento mikrofon je nejcitlivější na zvuk přicházející z přední strany a méně citlivý na zvuky přicházející z bočních a zadních stran. Kardioidní charakteristika připomíná tvar srdce (latinsky „cor“). Používá se často při snímání zvuku z jednoho konkrétního směru, například u živých vystoupení. 4. Hyperkardioidní (d) – Tento typ má užší směrovou charakteristiku než kardioidní mikrofony. Je více zaměřený na zvuk přicházející zepředu, ale částečně také zachycuje zvuk zezadu. Je vhodný pro situace, kdy je potřeba více izolovat zdroj zvuku. 5. Úzce směrová (e) – Tento typ mikrofonu má velmi úzkou směrovou charakteristiku, což znamená, že snímá zvuk téměř výhradně z jednoho směru. Používá se při snímání velmi vzdálených nebo konkrétně zaměřených zvukových zdrojů, například ve filmové produkci nebo při nahrávání divoké zvěře. 5  Uhlíkové mikrofony: o Nejstarší typ mikrofonu (v prvních telefonech používaný) o Přeměňují zvukový signál na elektrický změnou odporu uhlíkové náplně. o Konstrukce: kovové pouzdro naplněné uhlíkovým prachem, uzavřené kovovou membránou. o Zvukové vlny rozechvívají membránu, což mění odpor uhlíkového prachu. o Napájení stejnosměrným napětím, změna odporu mění proud v rytmu zvukových vln. o Transformátor přenáší střídavou složku napětí způsobenou změnou akustického tlaku. o Nevýhody: značný šum, nevhodné pro kvalitní snímání zvuku. o Použití: telefonní mikrofonní vložky díky velké citlivosti a nízké ceně. o Kmitočtový rozsah: 250 až 3500 Hz. Obrázek a) - Konstrukce Tento diagram znázorňuje vnitřní strukturu uhlíkového mikrofonu: 6  Membrána: Je to tenká část, která reaguje na zvukové vlny. Když na ni dopadne zvuk, začne vibrovat. Převádí zvukové vlny na elektrický signál Uhlíková elektroda: Připojená k membráně, zajišťuje elektrické spojení. Uhlíkový prach: Tento materiál se nachází mezi uhlíkovou elektrodou a druhým kontaktem mikrofonu. Když membrána vibruje, tlak na uhlíkový prach se mění, což ovlivňuje jeho elektrický odpor. o Představ si drobné kousky uhlíku (vede el. proud) uvnitř mikrofonu. Když na mikrofon dopadne zvuk, membrána se pohybuje a tlačí na tento uhlíkový prach. Tím se mění, jak snadno může elektrický proud procházet prachem, což vytváří elektrický signál odpovídající zvuku. Izolační průchodka: Odděluje elektrické komponenty a zajišťuje, že proud teče správně. o Izolační průchodka: To je jako ochranná bariéra (zeď) uvnitř mikrofonu. Tato bariéra zajišťuje, že elektrický proud teče správným směrem a nedochází ke zkratům, které by mohly poškodit mikrofon nebo ovlivnit kvalitu zvuku. Obrázek b) - Princip Tento schéma ukazuje, jak mikrofon funguje: Elektrický obvod: Když zvukové vlny zasáhnou membránu, změní tlak na uhlíkový prach, což způsobí změnu odporu v elektrickém obvodu. Změna odporu: Tato změna odporu moduluje proud tekoucí obvodem, což vytváří elektrický signál odpovídající zvuku. Elektrodynamické mikrofony: Využívají princip elektrodynamického měniče. Membrána je spojena s cívkou, která se pohybuje mezi pólovými nástavci permanentního magnetu. Indukované napětí ve vodiči je úměrné změně akustického tlaku na membráně Vzorec: u=B⋅l⋅v Podle konstrukčního provedení se dělí na Páskové mikrofony: o Mají silný permanentní magnet s pólovými nástavci. o Používají pásek ze zvlněné hliníkové fólie (1 až 2 µm) jako membránu. o Zvukové vlny způsobují pohyb pásku v magnetickém poli, což indukuje malé střídavé napětí. Cívkové mikrofony: o Používají klasickou cívku připojenou k membráně. o Když membrána vibruje kvůli zvuku, cívka se pohybuje v magnetickém poli permanentního magnetu. o Tento pohyb generuje elektrické napětí odpovídající zvuku. 7 Popis obrázků: Obrázek a) - Páskový mikrofon: o Používá pásek z hliníkové fólie jako membránu, která reaguje na zvukové vlny. o Pásek je umístěn v magnetickém poli mezi dvěma pólovými nástavci silného permanentního magnetu. o Když zvukové vlny udeří na pásek, pohybuje se v magnetickém poli, což generuje slabý elektrický signál. Obrázek b) - Cívkový mikrofon: o Využívá klasickou cívku připojenou k membráně. o Když membrána vibruje kvůli zvuku, cívka se pohybuje v magnetickém poli vytvořeném permanentním magnetem. o Tento pohyb cívky v poli generuje elektrické napětí, které odpovídá zvuku, podobně jako u páskového mikrofonu, ale s jinou konstrukcí Páskové mikrofony 2 Určení: Vhodné pro snímání zvuku v uzavřených prostorách, kde neruší vliv větru. Citlivost na otřesy: Ano, jsou citlivé na otřesy. Příčina citlivosti: Mechanické vlastnosti velmi tenkého zvlněného hliníkového pásku. Citlivost: Přibližně 1 až 1,5 mV/Pa. Závislost citlivosti: Závisí na vzdálenosti zvukového zdroje. Cívkové mikrofony: o Mají kovovou membránu M pevně spojenou s cívkou C. o Cívka se pohybuje v silném radiálním magnetickém poli permanentního magnetu G. 8  o Působením zvukových vln se cívka pohybuje, čímž se v ní indukuje napětí úměrně velikosti akustického tlaku. o Citlivost: cca 1 až 2 mV/Pa. o Vyrovnaná frekvenční charakteristika. o Vnitřní elektrická impedance: cca 250 Ω. o Odolné vůči otřesům. o Nejčastěji používané pro amatérský příjem zvuku. o Vyráběny v mnoha typech různými výrobci. o Některé typy využívány i pro profesionální záznamy. Elektrostatické mikrofony: o Skládají se z měniče, předzesilovače a napáječe. o Konstrukčně jde o deskový kondenzátor s jednou pevnou elektrodou a druhou tenkou kovovou fólií. o Pohyblivá elektroda je napnutá ve vzdálenosti 20–30 μm před pevnou elektrodou. o Mezi elektrody je přivedeno polarizační napětí 20 až 200 V. o V klidu vzniká mezi elektrodami stálá kapacita C, která váže náboj Q = C · Up. o Při změně akustického tlaku se mění kapacita C o hodnotu ΔC. o Velký odpor Rz = 50 až 100 MΩ zabraňuje rychlému úniku náboje, což se projeví změnou napětí. o Na stejnosměrné napětí Up se při pohybu membrány přičítá proměnlivá složka napětí ΔU. Obrázek popisuje fungování jednoduchého mikrofonu založeného na kondenzátoru. Tento typ mikrofonu funguje na principu změny kapacity mezi dvěma elektrodami (jedna pevná a druhá pohyblivá kovová fólie). Obrázek vlevo (a) ukazuje řez kondenzátorem. Má pevnou elektrodu a pohyblivou kovovou fólii, která se nachází velmi blízko pevné elektrody (jen pár mikrometrů). Obrázek vpravo (b) ukazuje jednoduché schéma zapojení. Mezi elektrodami vzniká elektrická kapacita (Cᵥ), a když se pohne membrána (pohyblivá fólie), změní se kapacita. To způsobí změnu napětí, která je měřena pomocí obvodu s rezistorem (Rz). V praxi: když zvukové vlny zasáhnou membránu (pohyblivou fólii), ta se pohybuje. Tento pohyb způsobí změnu kapacity a výsledkem je malé změněné napětí, které je následně zpracováno a převedeno na zvukový signál. 9  Elektretové mikrofony: o Používány v zařízeních spotřební elektroniky. o Elektrostatický mikrofon bez polarizačního napětí. o Nejčastěji používané mikrofony malých rozměrů (průměr 5×2 mm). o Integrovaný zesilovač. o Omezený rozsah snímání malých frekvencí, vhodné pouze pro snímání řeči. o Podkategorie kondenzátorových mikrofonů. o Pracují jako kondenzátor s konstantním nábojem a proměnnou kapacitou. o Mezi membránou a podložkou destička z elektretového dielektrika (organické sklo, nylon, naftalen, ebonit). o Permanentně elektricky nabité. o Chvěním membrány se mění kapacita mikrofonové vložky. o Změny napětí způsobené chvěním membrány jsou zpracovány předzesilovačem (FET) (který je součástí). o Používají se tam, kde je nebezpečí vzniku akustické zpětné vazby. o Použití: počítače, diktafony, mobilní telefony, náhlavní a klopové mikrofony (např. při bezdrátovém moderování až do vzdálenosti 300 m), špionážní zařízení. o Vhodné pro nenáročné aplikace. Elektromagnetické mikrofony: o Skládají se z feromagnetické kotvy (K) a cívky ©. o Kotva se pohybuje v poli permanentního magnetu (PM) při pohybu membrány. 10  o Princip činnosti: Při pohybu kotvy rychlostí ( v ) se mění magnetický odpor ve vzduchové mezeře. o V cívce s počtem závitů ( N ) se indukuje napětí úměrné velikosti akustického tlaku. o Rovnice: Obrázek a) Konstrukce: Ukazuje hlavní součásti mikrofonu. Zvuk dopadá na membránu, která se při pohybu dotýká cívky (drátěné smyčky). Cívka je umístěna poblíž permanentního magnetu. Když se membrána pohybuje vlivem zvuku, cívka se také pohybuje v magnetickém poli. Tento pohyb vytváří elektrický proud, který odpovídá zvukové vlně. Obrázek b) Princip: Ukazuje, jak pohyb cívky v magnetickém poli (vyjádřeno jako změna magnetického toku „Φ“ nebo magnetické indukce „B“) generuje elektrické napětí „u“. Velikost tohoto napětí závisí na rychlosti pohybu „v“, počtu závitů cívky „N“ a vzdálenosti „d“ mezi cívkou a magnetem. Celý mikrofon má za úkol snímat zvuk a převádět ho na elektrický signál, který pak může být zpracován nebo zesílen. Tento typ mikrofonu je lehký a malý, často se používá například v akustických protézách, což jsou zařízení, která pomáhají lidem s poruchami sluchu lépe slyšet. 1. Kulová směrová charakteristika: o Frekvenční pásmo: 300 – 3500 Hz (omezeno na frekvenci řeči). o Použití: Akustické protézy (malé rozměry a hmotnost). 2. Piezoelektrické mikrofony: o Základ: Krystal z piezoelektrického materiálu. o Princip: Membrána zachycuje zvukové vlny, přenáší tlak na piezoelektrické destičky, vzniká střídavé napětí na elektrodách. 11  Kmitočtová charakteristika: o Udává, jaké frekvence je reproduktor schopen reprodukovat. o Důležitá pro určení kvality zvuku. Směrová charakteristika: o Popisuje, jak se zvuk šíří v různých směrech. o Ovlivňuje, jak dobře je zvuk slyšet v různých částech místnosti. Jmenovitá impedance: o Udává odpor reproduktoru při určité frekvenci. o Ovlivňuje kompatibilitu s různými zesilovači. Citlivost: o Měří, jak hlasitý je reproduktor při určitém vstupním výkonu. o Vyšší citlivost znamená hlasitější zvuk při stejném výkonu. Příkon: o Maximální výkon, který může reproduktor bezpečně přijmout. o Důležitý pro výběr správného zesilovače. 12 Tento obrázek zobrazuje nepřímo vyzařující tlakový reproduktor, což je jiný typ reproduktoru než ten předchozí. Tento typ reproduktoru funguje na podobném principu jako přímovyzařující, ale s důrazem na tlak a vedení zvuku. Podívejme se na jednotlivé části: 1. Magnetický obvod (1): Stejně jako u přímovyzařujícího reproduktoru, magnetický obvod vytváří silné magnetické pole. To umožňuje pohyb cívky (část 2), když prochází elektrický proud. 2. Kmitající cívka (2): Tato cívka je součástí systému, který převádí elektrickou energii na mechanické pohyby (vibrace). Tyto vibrace jsou pak předány na membránu (část 3). 3. Membrána (3): Membrána se pohybuje díky kmitající cívce. V tomto případě však membrána přímo nevytváří zvukové vlny, jako tomu bylo u přímovyzařujícího reproduktoru. Místo toho vytváří tlakové vlny, které jsou vedeny dál do tlakové komůrky. 4. Tlaková komůrka (4): Toto je prostor, kde se shromažďuje tlak, který je vytvořen kmitáním membrány. Tlaková komůrka je navržena tak, aby usměrňovala tlakové vlny a zesilovala je. 5. Zvukovod (5): Tlakové vlny z komůrky jsou vedeny zvukovodem, což je úzká trubice nebo otvor, který koncentruje zvuk. Tím se zvuk dostane na větší vzdálenost a může být lépe slyšitelný. Jak to funguje celkově: Elektrický signál prochází cívkou (2), která se začne pohybovat díky magnetickému poli (1). Pohyb cívky rozvibruje membránu (3), která vytváří tlakové vlny ve vzduchu v tlakové komůrce (4). Tyto vlny jsou pak vedeny zvukovodem (5), který usměrňuje a zesiluje zvuk. Tento typ reproduktoru je častý v situacích, kde je potřeba soustředit a nasměrovat zvuk na jedno místo, například v tlakovém zvukovém systému 13  Přímovyzařující elektrodynamický reproduktor: o Složení: ▪ Magnetický obvod (1) ▪ Kmitající cívka (2) ▪ Membrána (3) ▪ Koš reproduktoru (4) ▪ Středící membrána (5) o Magnetický obvod: ▪ Prstencový permanentní magnet ▪ Pólové nástavce z měkké oceli ▪ Válcová vzduchová mezera s radiálním magnetickým polem o Kmitající cívka: ▪ Pohybuje se ve vzduchové mezeře ▪ Navinuta na tenkou papírovou vložku ▪ Měděný smaltovaný drát o průměru 0,05 mm ▪ Obvykle ve dvou vrstvách ▪ Pevně připojena k membráně 14  ▪ Vývody cívky vedeny ohybným přívodem o Membrána: ▪ Vyrobena ze zvlášť připravované papíroviny ▪ Okraj s několika vlnkami pro dobrou poddajnost ▪ Tvar a materiálové vlastnosti ovlivňují přenosové vlastnosti o Koš reproduktoru: ▪ Mechanicky nosná část magnetického obvodu i membrány ▪ Výlisek z plechu nebo hliníkový odlitek u velkých reproduktorů 15