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驻极体传声器及其性能的分析和对策 | |||||
收集整理:佚名 来源:本站整理 时间:2012-06-29 22:00:34 点击数:[] ![]() |
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第一章 绪论
随着电子信息产品的成长和普及,相应的电声器件产品就会有大的市场,同时这个市场的成长与壮大,必然要形成更大的生产规模。近几年来全球通信技术和计算机产业规模在很大程度上超过了传统的设备产业规模,移动通信和互联网用户已几倍于传统使用者,普及和更新更快,已经成为电声器件产品的最大用户,相应的市场竞争也变得更为激烈。以此引发对电声器件也提出了越来越高的技术和性能要求,促使相应的高档电声器件技术、品种和产业规模处于历史上发展最快的时期,产品科技含量高,附加值高。这必然将带动电声器件产业进人一个更高的发展阶段。 电声器件是人们用声音的方式传递信息和传播文化艺术必不可少的组件。
驻极体的发现不是太晚,但至今对它的研究仍不够深入,它的生成理论也不完善,应用也只是开始。虽然如此,驻极体已逐渐显示出它作为一种电子材料的潜力。驻极体不能像电池那样从中取出电流,然而却可以提供一个稳定的电压,因此是一个很好的直流电压源。这在制造电子器件和电工测量仪表等方面是大有用处的。高分子聚合物驻极体的发现和使用,是电声换能材料一次巨大变革,利用它可以制成质量很高、具有很多优点的电声器件。驻极体传声器作为近几年来的新兴产品,它具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点,广泛用于盒式录音机、无线话筒及声控等电路中,受到了广大开发商和用户的青睐,所以分析研究驻极体传声器性能有着重大的意义,本文主要介绍驻极体传声器(包括全指向和单指向),分析影响全指向驻极体传声器灵敏度的因素及其原因,最后得出制作的最佳条件和工艺,并探索单指向驻极体传声器中阻尼布的作用以及结构对灵敏度的影响。
第二章 驻极体传声器的理论
2.1 驻极体传声器的内部结构
包括防尘布、铝壳,振膜(包括铜环和TF膜),绝缘塑环、组件(包括背极板,场效应管,塑料腔,线路板),其结构如图2.1。
图2.1 驻极体传声器结构
2.2 驻极体传声器的工作原理(以振膜式为例)
驻极体传声器内部有一片极薄的塑料膜片,称TF膜,在其中一面蒸发上一层金属镍,然后再在另一面上经过高压电场驻极电子,膜片的镀镍的那面向外,与金属外壳相连通。驻极体一面与固定金属极板(背极板)之间用薄的绝缘衬圈(塑环)隔离开。这样,金属镀层与金属极板之间就形成一个电容。当驻极体膜片遇到声波振动时,极板间距离的变化引起电容量的改变,极头上的电压U=Q/C,由于Q不变,引起电容两端的电场发生变化,从而产生了随声波变化而变化的交变电压。
2.3 驻极体传声器膜的种类
(1) PPS膜:此类膜不能被驻极,一般用于前驻极式,前腔式,背极式。
(2) FEP膜(也称TF膜):此类膜能驻极电子,主要用于振膜式。
2.4 驻极体传声器的基本种类
(1) EM(振膜式):也就是2.2所描述的那种。
(2) EB(背极式):背极板上覆有一层能驻极的薄膜(即TF膜),电子驻极在膜上,而镀有金属镍的振动膜未驻极。
(3) ER(前腔式):ER与EB相似,只是振膜放的位置不同,EB将振膜放在前面,而ER将振膜放在后面。
(4) EM(前驻极式):铝壳上覆有一层特殊的膜(即TF膜),将电子驻极在这层膜上,镀有金属镍的振动膜未驻极,且放在铝壳后面。
2.5 驻极体传声器的灵敏度定义
传声器在声压作用下完成声电转换,输出电信号。在不同的声压下,传声器的输出电压也将不同。
一般定义:0dB=1V/Pa
也有定义:0dB=1V/ubar=1V/0.1Pa (由此得到的灵敏度比前者小20 dB)
灵敏度的计算公式[9]:
X=20lg(U0/1Pa) (前者定义)
X=20lg(U0/0.1Pa) (后者定义)
2.6 灵敏度测试电路
下面是灵敏度测试电路,驻极体传声器与动圈式不同,它必须有外围电路才能完成正常的声电转换,它需要一个工作电压V0,一个偏置电阻R1。如图2.2:
图2.2 测试电路
2.7.驻极介绍
如图2.3,尖端和平板构成简单电晕极化的电极系统,在平板上加了一金属丝网(栅极),作用是使极化更加均匀,当图中1工作时,放电针即产生电晕放电,由于VP >>VG,故空气离子被推向栅网,起先VG>VS故栅网与样品(待极化的TF膜)存在电力线,在栅网上方的离子进入网下,基本上沿电力线方向沉积到样品表面。假设其温度为T,则dT/dt=jc-jh,式中:jc为充电电流密度,jh为放电电流密度,当jc=jh时,则说明充电达到饱和,振膜的表面电位就是在极化后的膜上的电位,由特殊的测量仪器测得。
图2.3 驻极原理图
2.8 场效应作用
场效应的栅极连在背极板上,源极和漏极连在线路板上。场效应管是一种单极型晶体管,它只有一个P-N结,在零偏压的状态下,它是导通的,如果在其栅极(G)和源极(S)之间加上一个反向偏压(称栅极偏压)在反向电场作用下P-N变厚(称耗尽区)沟道变窄,其漏极电流将变小,所以可以利用栅极偏压变化来控制漏极电流,图中跟输出线相连的电容是阻直隔交作用[10]。如图2.4是场效应管结构图
2.4 场效应结构图
2.9 影响灵敏度的因素
驻极体灵敏度主要跟振膜驻极电子数目,绝缘塑环厚度,测试条件,内部结构,振膜厚度等因素有关,基于仪器能精确地测量出各条件下相应的灵敏度,在第三章中我们选择振膜驻极电子数目,绝缘塑环厚度和测试条件三个因素定量地测出对应的灵敏度,分析灵敏度性能,对驻极体内部结构以及振膜厚度对灵敏度的影响作定性分析。
第三章 实验和分析
3.1 全指向性驻极体的灵敏度和频响曲线
3.1.1 表面电位对灵敏度的影响
选CM—18型号的驻极体为研究对象,测试不同表面电位其相应的灵敏度,首先我们应假设场效应管的性能基本相同,塑环厚度基本一致。测试条件:V0 =4.5V,R1=2.2K。测试数据如表3.1:
表3.1 不同电
图3.10 背极板有两个阻尼布的单指向B—K曲线
分析:加了一个阻尼布,其起到的阻尼作用显而易见,从声源在传声器正面的曲线看,因为加了一个阻尼布,从正背面绕射传入的声波振幅受到了很大的消减,所以正面声波被消弱的程度相对较少,从图上直接反映出来的信息是灵敏度比一个阻尼布的要大,而声源在正背面的情况就不容乐观了。由于正背面传入的声音的振幅受到了很大的消减,而从正面传入的声波的振幅由于绕射振幅减少的相对较小,在膜上不能很好的抵消,从图上表现出来很高的灵敏度,说明单指向不是很理想,再加一个的办法对于这种材料的阻尼布是行不通的,所以可以总结出阻尼布的制造工艺和各类参数是很有讲究的,要恰到好处,涉及到材料方面的问题,本文不作细究。
再来看另外这种情况,就是在背极板上对称地堵住两个空(以上研究均有四个小孔,呈正方形四角排列),B—K图如图3.11。
图3.11 背极板有两孔的单指向B—K曲线
分析:上图在低频段看似很好,因为只下掉了2 dB,但仔细查看不难发现,由于在背极板上对称的堵上了两个小孔后,整体灵敏度下降了,但在1K附近拉开20 dB的要求不是很符,这是由于堵塞了两个孔之后气流不畅,影响了振膜正常的振动,在真正应用上很可能会影响传声质量,所以这种改进方法还是值得商榷的。
第四章 结论
由于条件和时间有限,本文只对驻极体传声器作初步研究,从论文中可以看出驻极体传声器的主要指标是灵敏度,而影响灵敏度的因素有很多,既要从结构上进行改进,又要从生产工艺上加以控制,每一个因素都不可轻视,每一道工艺不可放松。其实驻极体传声器还包括双指向传声器,它的应用场合主要是记者采访,面对面的交流,它的特点是两端的灵敏度最大,两侧的灵敏度很低,原理是振膜位于两极板的中间,当声波从一侧传入相当于是一个单指向传声器,而当声波在侧面,则因为此声波传到驻极体的两端时,由于传入的声波的振幅差不多,相位又是一致的,所以在膜上抵消了,即灵敏度几乎为零。传声器的种类还有很多,如按转换原理分可分为电动式(动圈式、铝带式),电压式(晶体式、陶瓷式),电容式(驻极体就是其中一种),电磁式,碳粒式,半导体式以及最近新兴的硅微式传声器,此外还有液体传声器和激光传声器等,但其中有一些早已被淘汰了,有一些研发成本有待于考虑,还没有在市场得到推广应用,而驻极体正是传声器发展的日中天,优越的性能,廉价的开发成本证实了它在电声市场中的地位,发展前景还是比较可观的。
致 谢
本论文实验以及数据均来源于华英伦电子(宁波)有限公司,实验期间得到吴军,张键民,吴健勇和王兆军等工程部同志的帮助和指导,在改稿过程中又得到导师阮世平的悉心指正,均对论文格式以及内容提出了宝贵的意见,尤其是阮世平老师严谨的治学态度和一丝不苟的阅稿精神,对我今后的人生产生了深远的影响,本人在此一并深表谢忱。
参考文献
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陈克安, 曾向阳, 李海英.声学测量[M]. 北京: 科学出版社, 2005
[9] 何圣静.声学技术手册[M]. 北京: 北京出版社出版, 1994.4
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提供人:佚名 | |
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