Traductoarele de sunet utilizează energie electrică pentru a crea vibrații mecanice, pentru a distorsiona aerul înconjurător, producând sunet, indiferent dacă are o frecvență perceptibilă sau nu.

Sunetul este numele generalizat dat undelor acustice. Aceste unde acustice au frecvențe variind de la doar 1 Hz până la multe zeci de mii de Hertz cu limita superioară a auzului uman fiind în jurul intervalului de 20 kHz (20.000 Hz).

Sunetul pe care-l auzim este, în principal, compus din vibrații mecanice produse de un traductor de sunet audio folosit pentru a genera unde acustice și pentru ca sunetul să fie "auzit" necesită un mediu de transmisie fie prin aer, fie printr-un lichid sau printr-un solid.

De asemenea, sunetul real nu trebuie să fie o undă de sunet de frecvență continuă, cum ar fi un singur ton sau o notă muzicală, dar poate fi o undă acustică produsă de vibrații mecanice, zgomote sau chiar de un singur impuls de sunet, cum ar fi "bang".

De asemenea, traductoarele de sunet pot detecta și transmit unde sonore și vibrații de la frecvențe foarte joase numite infra-sunete până la frecvențe foarte ridicate numite ultrasunete. Dar pentru ca un traductor de sunet să detecteze sau să producă "sunet" trebuie să înțelegem mai întâi ce este sunetul.

Ce este sunetul?

Sunetul este o formă de undă a energiei care este produsă de unele forme de vibrații mecanice, cum ar fi un diapazon, și care are o frecvență determinată de originea sunetului, de exemplu o tobă bas are un sunet de joasă frecvență în timp ce un cinel are un sunet de frecvență mai înaltă.

O formă de undă sonoră are aceleași caracteristici ca și cea a unei forme de undă electrică care sunt Lungime de undă (λ), Frecvență (ƒ) și Viteză (m/s). Atât frecvența sunetului, cât și forma undei sunt determinate de originea sau vibrația care a produs inițial sunetul, dar viteza depinde de mediul de transmisie (aer, apă etc.) care poartă undele sonore. Relația dintre lungimea de undă, viteză și frecvență este dată mai jos:

Relația undei sonore

unde:
Lungimea de undă - este perioada de timp a unui ciclu complet în secunde, (λ)
Frecvența - este numărul de lungimi de undă pe secundă în Hertz, (ƒ)
Viteza - viteza sunetului prin intermediul unui mediu de transmisie în m/s

Microfonul-traductor de intrare

Microfonul numit „mic“, este un traductor de sunet care poate fi clasificat ca fiind un „senzor de sunet“. Acest lucru se datorează faptului că produce un semnal electric analogic de ieșire, care este proporțional cu unda sonoră "acustică" care acționează asupra diafragmei sale flexibile. Acest semnal este o "imagine electrică" reprezentând caracteristicile formei de undă acustice. În general, semnalul de ieșire de la un microfon este un semnal analogic fie sub forma unei tensiuni sau a unui curent care este proporțional cu unda sonoră reală.

Cele mai obișnuite tipuri de microfoane disponibile ca traductoare de sunet sunt Dinamic, Electret Condenser, Ribbon și cele mai noi tipuri Piezoelectric Crystal. Aplicațiile tipice pentru microfoane ca traductoare de sunet includ înregistrarea audio, reproducerea, difuzarea, precum și telefoanele, televiziunea, înregistrarea digitală a computerului și scanerele corporale, unde ultrasunetele sunt utilizate în aplicații medicale. Un exemplu de microfon simplu "dinamic" este prezentat mai jos.

Traductor de sunet cu microfon dinamic cu bobină mobilă

Construcția unui microfon dinamic seamănă cu cea a difuzorului, dar în sens invers. Este un microfon tip bobină mobilă care utilizează inducția electromagnetică pentru a transforma undele de sunet într-un semnal electric. Are o bobină foarte mică de sârmă subțire suspendată în câmpul magnetic al unui magnet permanent. Pe măsură ce unda sonoră lovește diafragma flexibilă, diafragma se deplasează înainte și înapoi ca răspuns la presiunea acustică care acționează asupra acesteia, determinând bobina de sârmă atașată să se deplaseze în câmpul magnetic al magnetului.

Mișcarea bobinei în câmpul magnetic cauzează o tensiune indusă în bobină așa cum este definită de legea lui Faraday a inducției electromagnetice. Semnalul de tensiune de ieșire rezultat de la bobină este proporțional cu presiunea undei sonore care acționează asupra diafragmei, astfel încât undele sonore mai zgomotoase sau mai puternice vor da semnal de ieșire mai mare, ceea ce face ca acest tip de microfon să fie sensibil la presiune.

Deoarece bobina de sârmă este de obicei foarte mică, gama de mișcare a bobinei și a diafragmei atașate este, de asemenea, foarte mică, producând un semnal de ieșire foarte liniar care este 90^o defazat față de semnalul sonor. De asemenea, deoarece bobina este un inductor cu impedanță scăzută, semnalul de tensiune de ieșire este, de asemenea, foarte scăzut, deci este necesară o formă de "pre-amplificare" a semnalului.

Deoarece construcția acestui tip de microfon se aseamănă cu cea a unui difuzor, este posibil ca un difuzor real să fie utilizat ca microfon.

Evident, calitatea medie a unui difuzor nu va fi la fel de bună ca cea a unui microfon de înregistrare tip studio, dar răspunsul în frecvență al unui difuzor rezonabil este de fapt mai bun decât cel al unui microfon ieftin. De asemenea, impedanța bobinei unui difuzor tipic este diferită de la 8 până la 16 Ω. Aplicațiile comune în care difuzoarele sunt utilizate în general ca microfoane sunt în interfoane și walk-talkie.

Difuzorul-traductor de ieșire

Sunetul poate fi utilizat ca dispozitiv de ieșire pentru a produce un zgomot de alertă sau pentru a acționa ca o alarmă, iar difuzoarele, soneriile, portavocea și sirenele sunt toate tipuri de traductoare de sunet care pot fi utilizate în acest scop cu cel mai frecvent utilizat actuator de sunet de ieșire tip sonor fiind "Difuzorul".

Principiul de funcționare a difuzorului cu bobină mobilă este exact opus celui din "Microfonul dinamic" de mai sus. O bobină de sârmă fină, numită "bobină de voce sau vocală", este suspendată într-un câmp magnetic foarte puternic și este atașată la un con de hârtie sau Mylar, numit "diafragmă" care este suspendată la margini de un cadru metalic sau șasiu. Deci, spre deosebire de microfonul care este dispozitiv de intrare sensibil la presiune, acest tip de traductor de sunet poate fi clasificat ca un dispozitiv de ieșire generator de presiune.

Difuzorul cu bobină mobilă

Când un semnal analogic trece prin bobina vocală a difuzorului, se produce un câmp electromagnetic și a cărui forță este determinată de curentul care trece prin bobina "vocală", care, la rândul său, este determinat de setarea controlului de volum al amplificatorului de comandă sau driver-ul bobinei mobile. Forța electromagnetică produsă de acest câmp se opune câmpului magnetic permanent principal din jurul acestuia și încearcă să împingă bobina într-o direcție sau alta în funcție de interacțiunea dintre polii nord și sud.

Deoarece bobina de voce este atașată permanent la con/diafragmă, aceasta se mișcă în tandem, iar mișcarea ei cauzează o perturbare a aerului din jurul acesteia, producând astfel un sunet sau o notă. Dacă semnalul de intrare este o undă sinusoidală continuă, conul se va mișca acționând ca un piston care împinge și trage aerul și se va auzi un ton unic continuu care reprezintă frecvența semnalului. Forța și, prin urmare, viteza acesteia, prin care conul se mișcă și împinge aerul înconjurător, produce intensitatea sunetului.

Deoarece bobina de voce este în esență o bobină de sârmă, ea are, ca și un inductor, o valoare a impedanței. Această valoare pentru majoritatea difuzoarelor este cuprinsă între 4 și 16 Ω și se numește valoarea "impedanței nominale" a difuzorului măsurată la 0 Hz sau DC.

Rețineți că este important să potriviți întotdeauna impedanța de ieșire a amplificatorului cu impedanța nominală a difuzorului pentru a obține transferul maxim de putere între amplificator și difuzor. Cele mai multe combinații de boxe-amplificatoare au un randament de eficiență de 1 sau 2%.

Deși disputată de unii, alegerea cablului bun de difuzor este un factor important în eficiența difuzorului, deoarece capacitatea internă și caracteristicile fluxului magnetic ale cablului se schimbă cu frecvența semnalului, determinând atât distorsiuni de frecvență, cât și de fază. Acest lucru are efect de atenuare a semnalului. În cazul amplificatoarelor de mare putere, prin aceste cabluri curg curenți mari, astfel încât cablurile subțiri de tip sârmă subțire se pot supraîncălzi în perioade lungi de utilizare, reducând din nou eficiența.

Urechea umană poate auz, în general, sunete de la 20 Hz până la 20 kHz, iar frecvența de răspuns a difuzoarelor moderne numite difuzoare de uz general sunt adaptate pentru a funcționa în această gamă de frecvențe, precum și cu căști și alte tipuri de căști disponibile în comerț, utilizate ca traductoare de sunet.

Cu toate acestea, pentru sisteme audio de înaltă performanță tip High Fidelity (Hi-Fi), răspunsul în frecvență al sunetului este împărțit în diferite sub-frecvențe mai mici, îmbunătățind astfel atât eficiența difuzoarelor cât și calitatea generală a sunetului, după cum urmează:

Intervale generalizate de frecvență

În boxele multi-difuzoare care au un difuzor separat Woofer, Tweeter și Mid-Range, adăpostite împreună într-o singură incintă, este utilizată o rețea "crossover" pasivă sau activă pentru a asigura împărțirea și reproducerea exactă a semnalului audio de către toate sub-difuzoarele.

Această rețea crossover este compusă din rezistoare, inductoare, condensatoare, filtre pasive de tip RLC sau filtre active op-amp, ale căror puncte de frecvență crossover sau cut-off sunt reglate fin în funcție de caracteristicile difuzoarelor individuale și un exemplu de multi-difuzor "Hi- fi "este prezentat mai jos.

Schemă multi-difuzor (Hi-Fi)

În acest tutorial, am analizat diferite traductoare de sunet care pot fi utilizate atât pentru a detecta cât și pentru a genera unde sonore. Microfoanele și difuzoarele sunt traductoarele de sunet cel mai frecvent disponibile, dar multe alte tipuri de traductoare de sunet utilizează dispozitive piezoelectrice pentru a detecta frecvențe foarte ridicate, hidrofoane proiectate pentru a fi utilizate sub apă pentru detectarea sunetelor submersibile și traductoare sonare, care transmit și recepționează unde sonore pentru a detecta submarine și nave.