1、10. Carbon microphone 碳麦克风主要负责人：孙晨（9-1-8,11）小组成员：孙晨（组长, 9-1-8,11）刘金龙（9-1-8,11）刘志通（9-1-8,11）闫飞（9-1-8,11）张燕飞（9-1-8,11）一、问题重述：For many years, a design of microphone has involved the use of carbon granules. Varying pressure on the granules produced by incident sound waves produces an electrical output s
2、ignal. Investigate the components of such a device and determine its characteristics.对于许多年，一个设计的麦克风已经涉及的碳颗粒的使用。于颗粒上产生的入射声波的压力变化产生的电输出信号。调查这样的装置的组成部分，并确定其特性。二、理论分析关于 Carbon microphone （碳麦克风）的理论分析：麦克风是一个电声转换器。当位于在声场时，其输出是一个电信号，该信号再现它感受到的声压的变化。有两个基本类型的麦克风，无源和有源。无源换能器的电功率输出是仅来自它吸收的声功率，而有源换能器控制一个外部的动力源。麦
3、克风的第一个应用是一个电话送话器。贝尔第一次尝试一个无源声换能器，简单地反向使用他的接收机，但它的输出功率在实际使用中过于微弱。然后，他使用液体发射器，一个沉浸在导电液体的细点。这是一个有源换能器，通过从外部电池中控制电流，并提供必要的电源。爱迪生后来发明了碳粒式电话机，即利用声音震动话筒里边松散的碳粒。因为金属片间碳粒接触程度的变化，产生不同的电阻，因此流过碳粒的电流因受到震动而改变，在另一端，由变化的电流转换为声音。爱迪生发明完善的碳麦克风，很快就成为首选的发射器，一直沿用到最近。这是一个有源换能器，提供约它吸收的声功率一千倍以上的电功率。为了节约能源，无源传感器受到严格的限制。似乎在贝尔
4、接收器中通过使用强磁铁作为发射机，可以提取更多的能量，但磁铁不是能量来源，所以为了做到这一点的所有尝试都失败了。总有一些反应，使能量保持连续。大多数无源传感器具有可逆的性质：如果一个换能器的声能转换成电能，相同的换能器将电能转换成声能。 ，使用动圈式扬声器作为麦克风的对讲系统也说明了这一点。有源传感器是不可逆的。我们必须处理好三个相互关联的因素，了解麦克风。首先是声输入，在空气中的声波。这些交互的机械系统中，通常是一个膜片刺激运动中的实体。最后，机械系统的交流电创建一个电动发电机。因此，我们应考虑这些原理。生活中有大量的有趣的物理学和工程学麦克风设计。碳粒麦克风一个单键碳麦克风话筒显示如图。话
5、筒充当一个角来增加声压的隔膜。隔膜的位移直接传送到碳按钮,其中包含碳颗粒在两个碳光盘。前方和后方是绝缘的并且连接到终端。一个约 30 -100 的外部电池通过按钮驱动电流。当隔膜位移改变时，阻抗也随之改变,产生一个变化的电压并从麦克风输出。阻抗是由于隔膜位移的改变而改变的。阻抗可近似为 r = R - ax + bx2，其中常数a，b 为正数，且 ba，由此产生的恒定电压 E 下的电流 i = (E/R)(1 - ax + bx2)-1. 则电流 i 随 x 改变 i = (E/R)1 + ax + (a - b)x2 + . 二次项可以忽略，若 x 呈正弦规律变化，则变化的电流为 i = (
6、Ea/R)x.产生一个交变电压 e = Eax, 可以看成是内阻为 R 的戴维南等效电压源。声波的过压 p cos t 会产生一个位移 x = (pA/s)cos t，发电机电压 e = EapA/s。A 和 s 为常量，e 和直流电压或电流成正比。麦克风的灵敏度克表示为 S = e/p = EaA/s 或者 IaRA/s,通常以分贝为单位 dB = 20 log S，大约 25-50mA 的电话发射机的 S 约为-15 dB至 -20 dB,或 0.18 - 0.10 V/bar，这可被阻抗 5K，输出电压 1.0-1.8V 的变压器放大 10 倍，或 n=10，则电压=ne，阻抗=n 2R
7、.负载电阻 R的功率 P = e/(R + n2R)2(n2R).如果令 u = n2R/R，然后区分 P（u ）关于 u 等于零的结果。我们发现 u = 1,或 n2R = R,结果与最大功率相似，另一方面,如果我们希望最大电压 (关于输入到一个高输入阻抗放大器)，那么负载电阻应尽可能高。如果我们使用一个变压器，直流电流不受影响，仍可任意调整，阻抗如图。1920 年碳发射器的频率从 600HZ 至 1900HZ 时灵敏度高于-30dB， 1000HZ 时达到最高，这个范围包含了大部分的声音能量，但话筒却有些不自然。到 1934 年，-30dB 的带宽已经扩展到 275-3100HZ，从 75
8、-2500HZ 有-15dB 的灵敏度， 1000HZ 的峰值被完全消除，这是由于隔膜和背板的设计，不改变碳按钮。一个双按钮碳麦克风通过互补推挽消除二次谐波，频率响应带宽从 60HZ-10KHZ，然而灵敏度仅为-47 分贝，远小于电话接收机的保真度。此时可用电子放大，所以低输出是可以解决的，这种麦克风早期用于唱片和广播并提供了很好的服务。碳麦克风的缺点表现在噪音方面，这是不能被消除的，但是可以减弱。这种噪声的来源是碳表面颗粒固有的可变电阻。这种噪音可以通过电流或者电压源与信号发生器串联在一起分析。不寻常的高电流，如感应冲击，可能损坏碳颗粒。回顾历史，我们可以看到人们曾为了传声器的发明如此欢欣鼓舞，以致于不在乎它们的声学性能究竟如何。人的正常听觉范围在 2020000Hz，但是碳粒式电话机的频响范围上限仅达 3000Hz，人声本身都会极大失真，更何况音乐与超声了。而且不管是留声机还是电话机都充斥着沙沙的噪音。无论磁石式还是碳粒式都需要自己附带电池供电，碳粒在长期通电发热后还会逐渐失效。虽说当时人们已经足够满意了，但人类总是在不满意中前进着。
