Introduzione ai trasduttori di suoni

In questo tutorial impareremo a conoscere i trasduttori sonori. Due comuni trasduttori sonori sono i microfoni e gli altoparlanti.Outline IntroductionCos'è il suono?Cosa sono i trasduttori audio?Microfono (trasduttore del suono in ingresso)Microfono a carboneMicrofono a ferro mobileMicrofono a bobina mobile o microfono dinamicoMicrofono a nastroMicrofono piezoelettricoMicrofono a condensatoreAltoparlante (trasduttore audio in uscita)Altoparlante a bobina mobile o Altoparlante dinamicoAzionamento a AltoparlantiAltoparlanti piezoelettriciAltoparlanti elettrostaticiIntroduzioneSuono è un termine generico dato alle onde acustiche che sono un tipo di onde longitudinali che si propagano per compressione e decompressione nel processo adiabatico. La gamma di frequenza delle onde acustiche è compresa tra 1 Hz e decine di migliaia di Hz. In questa vasta gamma, l'uomo può sentire tra 20 Hz e 20 K Hz. I trasduttori audio o sonori sono di due tipi: sensori di ingresso o suono a trasduttori elettrici e attuatori di uscita o trasduttori elettrici a suono. L'esempio del sensore di ingresso è un microfono e l'attuatore di uscita è un altoparlante. I trasduttori sonori possono rilevare e trasmettere onde sonore. Se la frequenza dell'onda sonora è molto bassa, si parla di infra-suono. E se la frequenza dell'onda sonora è molto alta, allora sono chiamati ultra-suono. TORNA ALL'INIZIOCos'è il suono?Il suono e la vibrazione sono interconnessi poiché il suono è associato alla vibrazione meccanica. Molti suoni sono causati dalla vibrazione di solidi o gas. Secondo ANSI, il suono è definito come "oscillazione di pressione, sollecitazione, ecc., propagata in un mezzo con forze interne o sovrapposizione di tale oscillazione propagata". L'onda sonora è la forma d'onda causata da una vibrazione. Questa forma d'onda provoca l'impostazione di una vibrazione identica in qualsiasi materiale interessato dall'onda sonora. Per trasmettere le onde sonore, è necessario un mezzo che possa essere vibrato. Un oggetto o materiale vibrante comprime le molecole d'aria circostanti e le rarefa. Non c'è trasmissione di onde sonore attraverso il vuoto. Quando il suono viene trasmesso, ha tre parametri importanti dell'onda: velocità o velocità, lunghezza d'onda e frequenza. Queste caratteristiche sono simili a quelle di una forma d'onda elettrica. La frequenza e la forma d'onda del suono sono determinate dall'origine del suono o dalla frequenza e dalla forma d'onda della vibrazione che causa il suono. La velocità e la lunghezza d'onda del suono dipendono dal mezzo che trasmette le onde sonore. La relazione tra i tre parametri velocità, lunghezza d'onda e frequenza è mostrata di seguito. Frequenza (f) = Velocità (m/s) / Lunghezza d'onda (λ) Le unità di frequenza sono Hertz (Hz). Link alle risorse dell'immagine: electronics-tutorials.ws /io/io46.gifLa velocità del suono in un dato materiale dipende dalla densità e dall'elasticità del materiale. Quindi la velocità del suono è maggiore nei solidi e bassa nei gas ad alta pressione. La misurazione oggettiva delle onde sonore utilizza l'intensità della superficie ricevente misurata come il numero di watt di energia sonora per metro quadrato. L'orecchio ha una risposta non lineare e la sensibilità varia con la frequenza del suono. La gamma di frequenza su cui il suono può essere rilevato dall'orecchio umano è compresa tra 20 Hz e 20 kHz. La risposta dell'orecchio è massima nella regione di 2 kHz.TORNA ALL'INIZIOCosa sono i trasduttori sonori?Un trasduttore sonoro è un dispositivo in grado di convertire i segnali sonori in segnali elettrici oi segnali elettrici in segnali sonori. Nel primo caso, sono chiamati trasduttori audio in ingresso e un microfono è un esempio per questo caso. Nel secondo caso, sono chiamati trasduttori audio in uscita e un altoparlante è un esempio. Microfono (trasduttore audio in ingresso) Il trasduttore audio o audio in energia elettrica è il microfono o semplicemente chiamato microfono. Un microfono produce segnali elettrici analogici che sono proporzionali alle onde sonore che agiscono sul suo diaframma. I microfoni sono classificati in base al tipo di trasduttore elettrico che utilizzano. Oltre al trasduttore, il microfono utilizza filtri e passaggi acustici la cui forma e dimensione modificano la risposta dell'intero sistema. Le caratteristiche di un microfono sono sia elettriche che acustiche. La sensibilità di un microfono è espressa come mV di uscita elettrica per unità di intensità dell'onda sonora. L'impedenza del microfono ha un'importanza considerevole. Un microfono ad alta impedenza ha un'uscita elettrica elevata mentre quello a bassa impedenza è associato a un'uscita bassa. L'elevata impedenza rende il microfono suscettibile al ronzio. Anche la direzionalità del microfono è un fattore importante. Se il microfono viene utilizzato per rilevare la pressione delle onde sonore, allora è Omni-direzionale cioè capta il suono proveniente da qualsiasi direzione. Un microfono è direzionale se risponde alla velocità e alla direzione dell'onda sonora. Il tipo di trasduttore sonoro non determina necessariamente il principio di funzionamento come pressione o velocità, ma la costruzione del microfono è il fattore più importante. Alcuni dei più tipi comuni di microfoni sono: microfono a carbone, microfono a ferro mobile, microfono a bobina mobile, microfono a nastro, microfono piezoelettrico e microfono a condensatore electret.TORNA ALL'INIZIOMicrofono a carboneIl microfono a carbone è stato il primo tipo di microfono ad essere sviluppato per l'uso nei telefoni. Ora sono sostituiti da microfoni a condensatore a elettrete. Il microfono in carbonio utilizza granuli di carbonio tenuti tra un diaframma e una piastra posteriore. Quando i granuli vengono compressi, la resistenza tra il diaframma e la piastra posteriore diminuisce notevolmente. Le vibrazioni del diaframma, che sono il risultato dell'onda sonora incidente su di esso, possono essere convertite in variazioni di resistenza dei granuli. Il microfono richiede un'alimentazione esterna in quanto non genera tensione. Il principale e unico vantaggio del microfono a carbone è che produce un'uscita enorme per gli standard del microfono. Gli svantaggi includono scarsa linearità, struttura scadente che provoca risonanze multiple nell'audio gamma e alto livello di rumore in quanto la resistenza dei granuli si altera anche in assenza di suono.TORNA ALL'INIZIOMicrofono a ferro mobileI microfoni a ferro mobile sono anche chiamati microfoni a riluttanza variabile. Il microfono a ferro mobile utilizza un potente magnete. Il circuito magnetico contiene un'armatura in ferro dolce, che a sua volta è collegata a un diaframma. Quando l'armatura si muove, la riluttanza magnetica del circuito cambia e questo a sua volta cambia il flusso magnetico totale nel circuito. Il circuito magnetico di questo tipo di microfono rende lo strumento più pesante.TORNA ALL'INIZIOMicrofono a bobina mobile o microfono dinamicoI microfoni a bobina mobile (dinamici) utilizzano un circuito magnetico a flusso costante. In questo circuito, l'uscita elettrica viene generata spostando una bobina di filo nel circuito che è collegata a un diaframma. L'intera disposizione è a forma di capsula, il che lo rende un microfono a pressione piuttosto che a velocità. La bobina si muove in risposta al movimento del diaframma quando le onde sonore colpiscono il diaframma. Applicando la legge di Faraday sull'induzione elettromagnetica, viene indotta una tensione nella bobina a causa del movimento della bobina nel campo magnetico. L'uscita massima si verifica quando la bobina raggiunge la velocità massima tra i picchi dell'onda sonora, quindi l'uscita è 900 sfasata rispetto al suono. Di seguito è mostrata la vista interna di un microfono dinamico. L'intervallo di movimento della bobina è molto piccolo in quanto la dimensione della bobina è piccola. Quindi la linearità dei microfoni a bobina mobile è eccellente. A causa della bassa impedenza della bobina, l'uscita è considerevolmente bassa e quindi è necessaria l'amplificazione del segnale. L'induttanza della bobina nei microfoni a bobina mobile è minore e quindi sono meno suscettibili al ronzio proveniente dalla rete. La costruzione del microfono a bobina mobile ricorda quella di un altoparlante al contrario.TORNA ALL'INIZIOMicrofono a nastroIl principio di funzionamento di un microfono a nastro è derivato dal microfono a bobina mobile e il cambiamento è che la bobina è stata ridotta a una striscia di nastro conduttore. Il segnale viene prelevato dalle estremità del nastro. Viene utilizzato un campo magnetico intenso in modo che il movimento del nastro tagliato attraverso il flusso magnetico massimo possibile sia possibile. Questo genera un'uscita con il suo valore di picco a 900 sfasato rispetto all'onda sonora. La vista interna del microfono a nastro è mostrata sotto.Il microfono a nastro è un microfono a velocità. I microfoni a nastro vengono utilizzati in situazioni in cui la risposta direzionale è importante. L'applicazione principale di questo tipo di microfono è nel commento vocale in ambienti rumorosi. La linearità dei microfoni a nastro è molto buona e la sua costruzione lo rende inevitabilmente un dispositivo a bassa potenza. Per aumentare il livello di tensione e il livello di impedenza, i microfoni a nastro sono generalmente dotati di trasformatore. I microfoni a nastro di buona qualità sono articoli costosi. Le qualità direzionali di questo microfono sono adatte per le trasmissioni stereo.TORNA ALL'INIZIOMicrofono piezoelettricoIl vantaggio del microfono piezoelettrico rispetto ad altri tipi di microfoni è che non è limitato all'uso in aria ma può essere legato a un solido e anche immerso in un liquido non conduttivo . I trasduttori piezoelettrici possono essere utilizzati a frequenze ultrasoniche e alcuni sono utilizzati nella regione degli alti MHz. I trasduttori piezoelettrici sono costituiti da materiale cristallino. Quando il cristallo è teso dalle onde sonore, gli ioni del cristallo vengono spostati in modo asimmetrico. Originariamente, il Rochelle Salt Crystal è usato come materiale cristallino nei microfoni piezoelettrici e questo cristallo è accoppiato a un diaframma. La tensione e l'impedenza di uscita sono elevate, ma la linearità è scarsa. Al giorno d'oggi, i cristalli sintetici vengono utilizzati su cristalli naturali. Il titanato di bario è il cristallo sintetico utilizzato per frequenze fino a centinaia di KHz. Di seguito è mostrata la figura del microfono piezoelettrico.TORNA ALL'INIZIOMicrofono a condensatoreIl microfono a condensatore è costituito da due superfici: una è un diaframma conduttivo e l'altra è un backplate e la carica elettrica tra i due superfici è fissa. Quando l'onda sonora colpisce il diaframma, le vibrazioni provocano una variazione di capacità. Poiché la carica è fissa, la variazione di capacità provoca un'onda di tensione. L'output dipende dalla distanza tra le lastre. L'uscita è maggiore per una data ampiezza del suono quando la distanza tra le superfici è minore. Di seguito è mostrata la struttura di un microfono a condensatore. Il microfono a condensatore è un dispositivo a pressione. Per fornire la carica fissa, è necessaria un'alimentazione di tensione. Questa tensione è chiamata tensione di polarizzazione. I microfoni a condensatore forniscono linearità durante il funzionamento e forniscono anche ottimi segnali audio. Per evitare la polarizzazione della tensione, viene utilizzato un elettrete. Un elettrete è un materiale isolante con carica permanente. È l'equivalente elettrostatico di un magnete. Nei microfoni a condensatore a elettrete, una delle piastre del condensatore è una lastra di elettrete e l'altra è un diaframma. Poiché l'elettrete fornisce una carica fissa, non è necessaria l'alimentazione di tensione. TORNA ALL'INIZIOAltoparlante (trasduttore audio in uscita)L'uso del microfono è minimo a meno che non sia presente un trasduttore per la direzione opposta. I trasduttori come altoparlanti, cicalini e clacson sono attuatori sonori in uscita che possono produrre suono da un segnale elettrico in ingresso. La funzione di un attuatore sonoro è convertire i segnali elettrici in onde sonore con una stretta somiglianza con il segnale di ingresso originale in un microfono. Gli auricolari sono uno dei trasduttori del suono in uscita più semplici che sono stati utilizzati molto prima dei microfoni. Gli auricolari sono stati utilizzati con una macchina Morse Key nei telegrafi elettrici. Dopo lo sviluppo dei microfoni, la combinazione di trasduttori audio in ingresso e in uscita porta a numerose invenzioni tra cui il telefono. Il compito di un auricolare è semplice e poiché è posizionato vicino all'orecchio, anche i requisiti di alimentazione sono molto ridotti, generalmente dell'ordine di pochi milliwatt. Poiché la potenza richiesta è inferiore, l'auricolare utilizza un diaframma piccolo. Un altoparlante, a differenza degli auricolari, non viene premuto contro l'orecchio, ma le onde sonore vengono lanciate nello spazio. Quindi la costruzione, il principio e i requisiti di potenza di un altoparlante sono leggermente diversi. Gli altoparlanti sono disponibili in una varietà di dimensioni, forme e gamme di frequenza. Il trasduttore di un sistema di altoparlanti è chiamato Pressure Unit in quanto trasforma segnali elettrici complessi in pressione dell'aria. A tal fine, un'unità altoparlante è costituita da un'unità motore che trasforma le onde elettriche in ingresso in vibrazioni e da un diaframma che muove aria sufficiente per rendere udibile l'effetto vibrante. Per ogni tipo di microfono è presente un altoparlante corrispondente. Alcuni dei tipi comuni di altoparlanti sono: a ferro mobile, a bobina mobile, piezoelettrici, isodinamici ed elettrostatici.TORNA ALL'INIZIOAltoparlante a bobina mobile o altoparlante dinamico Il principio della bobina mobile è utilizzato nella maggior parte degli altoparlanti e degli auricolari. Gli altoparlanti a bobina mobile sono anche chiamati altoparlanti dinamici. Il principio di funzionamento di un altoparlante a bobina mobile è esattamente l'opposto di quello di un microfono a bobina mobile. Consiste in una bobina di filo sottile chiamata bobina mobile che è sospesa in un campo magnetico molto forte. Questa bobina è attaccata a un diaframma come carta o cono Mylar. Il diaframma è sospeso ai suoi bordi su un telaio metallico. Di seguito è mostrata la struttura interna di un altoparlante a bobina mobile. Quando il segnale elettrico in ingresso passa attraverso la bobina, viene prodotto un campo elettromagnetico. L'intensità di questo campo è determinata dalla corrente che scorre attraverso la bobina. L'impostazione del controllo del volume dell'amplificatore del driver determina la corrente che scorre attraverso la bobina mobile. Il campo magnetico prodotto dal magnete permanente è contrastato dalla forza elettromagnetica prodotta dal campo elettromagnetico. Ciò fa muovere la bobina in una direzione o nell'altra determinata dalle interazioni tra i poli nord e sud. Il diaframma, che è attaccato alla bobina, si muove in tandem con la bobina e questo provoca un disturbo nell'aria circostante. Questi disturbi producono un suono. L'intensità del suono è determinata dalla velocità con cui si muove il cono o il diaframma. TORNA ALL'INIZIO Guida di un altoparlante La gamma di frequenze che l'orecchio umano può sentire è compresa tra 20 Hz e 20 KHz. I moderni altoparlanti, cuffie, auricolari e altri trasduttori audio sono progettati per funzionare in questa gamma di frequenze. Tuttavia, per i sistemi audio di tipo High Fidelity (Hi-Fi), la risposta del suono è suddivisa in sub-frequenze più piccole. Ciò migliora l'efficienza complessiva e la qualità del suono dell'altoparlante. Le unità a bassa frequenza sono chiamate woofer e le unità ad alta frequenza sono chiamate tweeter. Le unità per le frequenze di gamma media sono semplicemente indicate come unità di gamma media. Le gamme di frequenza generalizzate e la relativa terminologia sono menzionate di seguito.Sub – woofer — da 10 Hz a 100 HzBassi: da 20 Hz a 3 kHzGamma media: da 1 kHz a 10 kHzTweeter: da 3 kHz a 30 kHzNei sistemi Hi-Fi multi-altoparlante, sono presenti altoparlanti separati woofer, mid-range e tweeter con una rete crossover attiva o passiva per dividere e riprodurre accuratamente il segnale audio da tutti i sub - altoparlanti. Di seguito è mostrato un semplice circuito per pilotare un altoparlante. Il transistor è in configurazione emettitore follower. Il segnale PWM da un microcontrollore fornisce un segnale AC alla base del transistor. La configurazione dell'emettitore follower fornisce il segnale CA all'altoparlante amplificando la corrente. Il diodo funge da filtro. Di seguito è mostrato un design multi altoparlante. Esistono tre tipi di driver: driver per woofer, driver di gamma media e driver per tweeter. Di seguito è mostrato un semplice circuito dell'amplificatore audio. In base al circuito del filtro utilizzato, l'amplificatore può essere utilizzato per pilotare un woofer o un altoparlante di gamma media o un tweeter. Di seguito sono menzionati alcuni degli altri tipi di trasduttori di uscita.TORNA ALL'INIZIOAltoparlanti piezoelettriciIn genere, i tweeter sono prodotti utilizzando il principio piezoelettrico. I diaframmi sono realizzati con fogli di plastica piezoelettrici. Quando viene applicata una tensione tra le facce del diaframma, si restringe e si espande in base al segnale. Modellando il diaframma come una parte della superficie di una sfera, il restringimento e l'espansione possono essere convertiti in movimento che sposterà l'aria.TORNA ALL'inizioAltoparlanti elettrostaticiGli altoparlanti elettrostatici sono costituiti da un diaframma conduttivo posto tra due piastre elettricamente conduttive. Le piastre conduttive sono caricate rispettivamente positivamente e negativamente. Quando un segnale audio è collegato, il diaframma commuta tra carica positiva e negativa. Il diaframma viene attirato verso la piastra caricata in modo opposto a seconda della sua carica.

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