音響変換器の紹介

このチュートリアルでは、サウンド トランスデューサーについて学びます。 XNUMX つの一般的な音響トランスデューサは、マイクとラウド スピーカーです。概要 はじめに音とは何ですか? 音響トランスデューサとは? マイク (入力音響トランスデューサ) カーボン マイク ムービング アイアン マイク ムービング コイル マイクまたはダイナミック マイク リボン マイク 圧電マイク コンデンサ マイク スピーカー (出力音響トランスデューサ) 可動コイル ラウドスピーカーまたはダイナミック ラウド スピーカーa スピーカー圧電スピーカー静電スピーカーはじめに音とは、断熱過程での圧縮と減圧によって伝播する縦波の一種である音波の総称です。 音波の周波数範囲は 1 Hz から数万 Hz です。 この広大な範囲では、人間は 20 Hz ～ 20 K Hz を聞くことができます。オーディオまたは音響トランスデューサーには XNUMX つのタイプがあります。入力センサーまたは音響から電気トランスデューサーへの入力と、出力アクチュエーターまたは電気から音響へのトランスデューサーです。 入力センサーの例はマイクであり、出力アクチュエーターの例はスピーカーです。音響トランスデューサーは音波を検出して送信できます。 音波の周波数が非常に低い場合、それらはインフラサウンドと呼ばれます。 音波の周波数が非常に高い場合、それらは超音波と呼ばれます。 トップに戻る 音とは何ですか?音は機械的な振動を伴うため、音と振動は相互に関連しています。 音の多くは固体や気体の振動によって発生します。 ANSI によれば、音は「内部力によって媒体内を伝播する圧力、応力などの振動、またはそのような伝播振動の重ね合わせ」と定義されています。 音波は振動によって引き起こされる波形です。この波形は音波の影響を受けるあらゆる物質に同じ振動を引き起こします。 音波を伝えるためには振動する媒体が必要です。 振動する物体または材料は、周囲の空気分子を圧縮し、希薄化します。 真空中は音波の伝達はありません。音が伝達されるとき、速度または速度、波長と周波数という XNUMX つの重要な波のパラメーターがあります。 これらの特性は電気波形の特性に似ています。 音の周波数と波形は、音の発生源、または音を引き起こす振動の周波数と波形によって決まり、音の速度と波長は音波を伝える媒体に依存します。 速度、波長、周波数の 46 つのパラメーターの関係を以下に示します。周波数 (f) = 速度 (m/s) / 波長 (λ) 周波数の単位はヘルツ (Hz) です。画像リソースのリンク: electric-tutorials.ws /io/ioXNUMX.gif特定の材料の音速は、材料の密度と弾性によって異なります。 したがって、音速は固体では速く、高圧気体では遅くなります。音波の客観的な測定では、平方メートルあたりの音エネルギーのワット数として測定される受信面の強度が利用されます。 耳の反応は非線形であり、感度は音の周波数によって異なります。人間の耳が音を検出できる周波数範囲は 20 Hz ～ 20 kHz です。 耳の応答は 2 kHz の領域で最大になります。トップに戻るサウンド トランスデューサーとは何ですか?サウンド トランスデューサーは、音声信号を電気信号に、または電気信号を音声信号に変換できるデバイスです。 前者の場合、それらは入力音響トランスデューサーと呼ばれ、この場合の例としてはマイクが挙げられます。後者の場合、それらは出力音響トランスデューサーと呼ばれ、その例としてスピーカーが挙げられます。 マイク (入力音トランスデューサー) オーディオまたは音から電気エネルギーへのトランスデューサーは、マイクまたは単にマイクと呼ばれます。 マイクロホンは、振動板に作用する音波に比例する電気アナログ信号を生成します。 マイクは、使用する電気トランスデューサーの種類によって分類されます。 トランスデューサに加えて、マイクロフォンは音響フィルタと通路を使用し、その形状と寸法がシステム全体の応答を変更します。マイクロフォンの特性は電気的特性と音響的特性の両方です。 マイクロフォンの感度は、音波の単位強度あたりの電気出力の mV として表されます。 マイクのインピーダンスは非常に重要です。 高インピーダンスのマイクは高い電気出力を持ちますが、低インピーダンスのマイクは出力が低くなります。 インピーダンスが高いため、マイクはハムノイズを拾いやすくなります。マイクの指向性も重要な要素です。 マイクロホンが音波の圧力の感知に使用される場合、それは全指向性です。 あらゆる方向から到来する音を拾います。 マイクロフォンが音波の速度と方向に応答する場合、マイクロフォンは指向性を持ちます。音響トランスデューサの種類は必ずしも圧力や速度などの動作原理を決定するわけではありませんが、マイクロフォンの構造が最も重要な要素です。一般的なマイクの種類は次のとおりです。カーボン マイク、ムービング アイアン マイク、ムービング コイル マイク、リボン マイク、圧電マイク、エレクトレット コンデンサ マイク。トップに戻るカーボン マイクカーボン マイクは、電話用に開発された最初のタイプのマイクです。 現在ではエレクトレットコンデンサマイクに置き換えられています。 カーボンマイクは振動板とバックプレートの間にカーボンの粒を挟んで使用しており、その粒が圧縮されると振動板とバックプレート間の抵抗が大幅に低下します。 振動板に入射した音波の結果である振動板の振動は、粒子の抵抗の変化に変換できます。 マイクは電圧を生成しないため、外部電源が必要です。カーボンマイクの主で唯一の利点は、マイクの規格から見て巨大な出力を生成することです。欠点には、線形性が悪く、構造が貧弱で音声に多重共振を引き起こすことが含まれます。音がない場合でも粒子の抵抗が変化するため、範囲と高いノイズレベルが得られます。トップに戻る可動鉄製マイク可動鉄製マイクは、可変リラクタンス マイクとも呼ばれます。 可動鉄製マイクは強力な磁石を使用しています。 磁気回路には軟鉄製のアーマチュアが含まれており、アーマチュアはダイヤフラムに接続されています。 アーマチュアが動くと回路の磁気抵抗が変化し、これにより回路内の総磁束が変化します。 このタイプのマイクロホンは、磁気回路により楽器が重くなります。TOPへ戻るムービングコイルマイクロホンまたはダイナミックマイクロホンムービングコイル（ダイナミック）マイクロホンは、定磁束磁気回路を使用しています。 この回路では、ダイアフラムに取り付けられた回路内のワイヤのコイルを動かすことによって電気出力が生成されます。 この全体の配置はカプセル形式になっており、速度操作型ではなく圧力操作型マイクロホンとなっています。音波が振動板に当たると、振動板の動きに応じてコイルが動きます。 ファラデーの電磁誘導の法則を適用すると、磁界中でのコイルの動きによりコイル内に電圧が誘導されます。 最大出力は、コイルが音波のピーク間の最大速度に達したときに発生します。そのため、出力は音と位相が 900 度ずれています。ダイナミック マイクの内部図を以下に示します。コイルの可動範囲は非常に小さいので、コイルのサイズが小さいです。 したがって、ムービングコイル型マイクロホンの直線性は優れています。 コイルのインピーダンスが低いため、出力はかなり低くなり、信号の増幅が必要になります。ムービングコイルマイクのコイルのインダクタンスは小さいため、電源からのハム拾いの影響を受けにくくなります。 ムービング コイル マイクロホンの構造は、ラウドスピーカーの構造を逆にしたものに似ています。トップに戻るリボン マイクロホンリボン マイクロホンの動作原理はムービング コイル マイクロホンに由来しており、変更点はコイルが導電性リボンのストリップに縮小されたことです。 信号はリボンの端から取得されます。強力な磁界が使用されるため、可能な限り最大の磁束を横切るリボンの動きが可能になります。 これにより、音波に対して 900 度位相がずれたピーク値を持つ出力が生成されます。リボン マイクの内部図を以下に示します。リボン マイクは速度操作型マイクです。 リボン マイクは、指向性応答が重要な状況で使用されます。 このタイプのマイクの主な用途は、騒がしい環境での音声解説です。リボン マイクの直線性は非常に優れており、その構造により必然的に低出力デバイスになります。 電圧レベルとインピーダンスレベルを上げるために、リボンマイクには通常トランスが装備されています。 高品質のリボンマイクは高価なアイテムです。 このマイクの指向特性はステレオ放送に適しています。トップに戻る圧電マイク他のタイプのマイクに対する圧電マイクの利点は、空気中での使用に限定されず、固体に接着したり、非導電性の液体に浸したりできることです。 。 圧電トランスデューサは超音波周波数で使用でき、一部は高 MHz 領域で使用されます。圧電トランスデューサは結晶材料で構成されています。 結晶が音波によって歪むと、結晶のイオンが非対称に移動します。 もともとロッシェル塩結晶は圧電マイクの結晶材料として使われており、この結晶が振動板と結合しているため、出力電圧とインピーダンスは高いものの、直線性が悪くなります。 現在では、天然水晶ではなく合成水晶が使用されています。 チタン酸バリウムは、数百 KHz までの周波数で使用される合成結晶です。圧電マイクの図を以下に示します。トップに戻るコンデンサ マイクコンデンサ マイクは XNUMX つの表面で構成されます。XNUMX つは導電性ダイヤフラム、もう XNUMX つはバックプレートであり、その間の電荷XNUMXつの面が固定されています。 音波が振動板に当たると、振動によって静電容量が変化します。電荷が固定されると、静電容量の変化によって電圧波が生じます。 出力はプレート間の間隔によって異なります。 面間の間隔が小さいほど、音の振幅に対する出力は大きくなります。コンデンサマイクの構造を以下に示します。コンデンサマイクは圧力動作するデバイスです。 固定電荷を提供するには、電圧供給が必要です。 この電圧を分極電圧といいます。 コンデンサ マイクは動作時に直線性を提供し、非常に良好な音声信号も提供します。分極電圧を回避するために、エレクトレットが使用されます。 エレクトレットは、永久に帯電した絶縁材料です。 静電気的には磁石と同等です。 エレクトレット コンデンサ マイクロフォンでは、コンデンサのプレートの XNUMX つはエレクトレットのスラブで、もう XNUMX つは振動板です。 エレクトレットが固定電荷を与えるため、電圧供給は必要ありません。TOPへ戻るスピーカー(出力音変換器)逆方向用の変換器が無い限りマイクの使用はほとんどありません。 スピーカー、ブザー、ホーンなどのトランスデューサーは、入力電気信号から音を生成できる出力音響アクチュエーターです。 サウンド アクチュエータの機能は、電気信号をマイクへの元の入力信号によく似た音波に変換することです。イヤホンは、マイクよりもずっと前から使用されている、より単純な出力音響トランスデューサの XNUMX つです。 イヤホンは電信のモールス信号機とともに使用されました。 マイクロホンの開発後、入力音声トランスデューサーと出力音声トランスデューサーの組み合わせにより、電話を含む数多くの発明が生まれました。 イヤホンの役割は単純で、耳の近くに配置されるため、必要な電力も非常に少なく、通常は数ミリワット程度です。必要な出力が少ないため、イヤホンでは小さな振動板が使用されます。 スピーカーはイヤホンとは異なり、耳に押し付けられるのではなく、音波が空間に発射されます。 したがって、ラウドスピーカーの構造、原理、および電力要件は少し異なります。ラウドスピーカーは、さまざまなサイズ、形状、周波数範囲で入手できます。 スピーカー システムのトランスデューサーは、複雑な電気信号を空気圧に変換するため、圧力ユニットと呼ばれます。 これを実現するために、スピーカー ユニットは、入力された電波を振動に変換するモーター ユニットと、振動効果を聞こえるように十分な空気を移動させるダイアフラムで構成されます。マイクの種類ごとに、対応するスピーカーがあります。 一般的なスピーカーの種類には、可動鉄、可動コイル、圧電、等力学、静電などがあります。トップに戻るムービング コイル ラウドスピーカーまたはダイナミック ラウド スピーカームービング コイルの原理は、大部分のスピーカーやイヤホンで使用されています。 ムービングコイルスピーカーはダイナミックスピーカーとも呼ばれます。 ムービングコイルスピーカーの動作原理はムービングコイルマイクの動作原理と全く逆で、非常に強い磁界の中に吊り下げられたボイスコイルと呼ばれる細いワイヤーのコイルで構成されています。 このコイルは紙やマイラーコーンのような振動板に取り付けられています。 振動板はその端で金属フレームに吊り下げられています。ムービングコイルスピーカーの内部構造を以下に示します。入力電気信号がコイルを通過すると、電磁場が生成されます。 この磁場の強さは、コイルを流れる電流によって決まります。 ドライバーアンプのボリュームコントロール設定により、ボイスコイルに流れる電流が決まります。 永久磁石によって生成される磁場は、電磁場によって生成される電磁力によって対抗されます。これにより、コイルは N 極と S 極の間の相互作用によって決定される一方向または他方向に移動します。 コイルに取り付けられた振動板はコイルと連動して動き、周囲の空気に乱れを引き起こします。 これらの外乱により音が発生します。 音の大きさは、コーンまたは振動板が動く速度によって決まります。 トップに戻る スピーカーの駆動 人間の耳が聞き取れる周波数の範囲は 20 Hz ～ 20 KHz です。 最新のスピーカー、ヘッドフォン、イヤフォン、およびその他のオーディオ トランスデューサは、この周波数範囲で動作するように調整されています。ただし、高忠実度 (Hi – Fi) タイプのオーディオ システムの場合、サウンドの応答はより小さなサブ周波数に分割されます。 これにより、スピーカーの全体的な効率と音質が向上します。 低周波ユニットはウーファーと呼ばれ、高周波ユニットはツイーターと呼ばれます。中音域周波数のユニットは単に中音域ユニットと呼ばれます。一般化された周波数範囲とその用語については以下で説明します。サブウーファー - 10 Hz ～ 100 Hz低音 — 20 Hz ～ 3 kHz中音域 — 1 kHz ～ 10 kHzツイーター — 3 kHz ～ 30 kHzマルチ スピーカー Hi – Fi システムでは、アクティブまたはパッシブ クロスオーバー ネットワークを備えた個別のウーファー、ミッドレンジ、およびツイーター スピーカーがあります。すべてのサブスピーカーでオーディオ信号を正確に分割して再生します。スピーカーを駆動するための簡単な回路を以下に示します。トランジスタはエミッタフォロワ構成です。 マイクロコントローラーからの PWM 信号は、トランジスタのベースに AC 信号を供給します。 エミッタフォロア構成は、電流を増幅することによってAC信号をスピーカーに与えます。 ダイオードはフィルターとして機能します。マルチ スピーカーの設計を以下に示します。ドライバーには、ウーファー ドライバー、ミッドレンジ ドライバー、ツイーター ドライバーの XNUMX 種類があります。 単純なオーディオアンプ回路を以下に示します。使用するフィルタ回路に基づいて、アンプはウーファー、ミッドレンジ、またはツイータースピーカーの駆動に使用できます。その他のタイプの出力トランスデューサーのいくつかを以下に示します。トップに戻る圧電スピーカー一般に、ツイーターは圧電原理を利用して製造されています。 振動板は圧電プラスチックシートでできています。 振動板の面間に電圧が印加されると、信号に応じて振動板が伸縮します。 振動板を球面の一部として形成することで、収縮と膨張を空気の動きに変換することができます。 トップに戻る静電型スピーカー静電型スピーカーは、XNUMX 枚の導電性プレートの間に配置された導電性振動板で構成されています。 導電板はそれぞれプラスとマイナスに帯電します。 オーディオ信号が接続されると、ダイヤフラムは正電荷と負電荷の間で切り替わります。 ダイヤフラムは、その電荷に応じて、逆に帯電したプレートに向かって引き寄せられます。

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