Maschinenbau

Elektromechanischer Wandler Instrument

Elektromechanischer Wandler , jede Art von Gerät, das entweder eine elektrische umwandelt Signal in Schallwellen (wie in einem Lautsprecher) oder wandelt eine Schallwelle in ein elektrisches Signal (wie im Mikrofon) um. Viele der im Alltag verwendeten Wandler arbeiten in beide Richtungen, z. B. die Freisprecheinrichtung bei bestimmten Gegensprechanlagen.

Mikrofone

Um die Eignung verschiedener Mikrofontypen für bestimmte Verwendungszwecke zu bewerten, müssen die Linearität ihres Frequenzgangs, ihre Richtungseigenschaften, ihre Haltbarkeit und ihre Kosten berücksichtigt werden.

Linearität und Richtwirkung

Die Frequenzlinearität ist die Fähigkeit eines Mikrofons, eine elektrische Ausgabe zu liefern, die proportional zur Amplitude der Toneingabe über den gesamten Frequenzbereich ist. ZumMusik , dies muss sich auf viel niedrigere und viel höhere Frequenzen erstrecken als nur für den Sprachgebrauch. Für eine qualitativ hochwertige Musikwiedergabe ist das flachere oder nahezu lineare Mikrofon im Allgemeinen die beste Wahl.

Mikrofone haben auch Richtcharakteristik. Diejenigen, die Signale aus allen Richtungen gleichmäßig aufnehmen, werden als bezeichnetomnidirektional. Ein übliches Richtmikrofon ist dasNierenmikrofon, so genannt, weil die Kurve herzförmig ist, wenn die Intensitätsantwort als Funktion des Winkels in einem Polardiagramm aufgetragen wird. Ein Nierenmikrofon ist nützlich für die Aufzeichnung von Live-Auftritten, bei denen es wünschenswert ist, das Rauschen des Publikums zu beseitigen. EINDas Schrotflintenmikrofon reagiert sehr stark nach vorne. Ein Parabolreflektor, ähnlich dem eines reflektierenden Teleskops, wird verwendet, um relativ schwache Geräusche aus einer bestimmten Richtung aufzunehmen und zu verstärken. Dies ist nützlich für so unterschiedliche Anwendungen wie das Abhören von Vogelrufen und das Abhören der Signale des Quarterback bei einem Fußballspiel.

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Arten von Wandlern

Die meisten Mikrofone verwenden entweder eine elektromagnetische oder eine elektrostatische Technik, um Schallwellen in elektrische Signale umzuwandeln. Dasdynamisches Mikrofon ist mit einem kleinen aufgebautMagnet , der in einer an der Membran angebrachten Spule schwingt. Wenn eine Schallwelle die Membran des Mikrofons zum Schwingen bringt, erzeugt die Relativbewegung des Magneten und der Spule durch magnetische Induktion ein elektrisches Signal . Entweder einbewegliche Spule oder a Ein bewegliches Magnetsystem kann verwendet werden, abhängig davon, welches Element mit der beweglichen Membran verbunden ist; Die bewegliche Spule wird häufiger verwendet. Das dynamische Mikrofon ist robust und weist eine recht gute Linearität auf, sodass hochwertige Modelle für die Aufnahme nützlich sind. Da ein Moving-Coil-Mikrofon und ein Moving-Coil-Lautsprecher sehr ähnlich sind, werden Gegensprechanlagen häufig mit demselben Element hergestellt, das beide Funktionen erfüllt.

Die elektrostatische oder Kondensatormikrofon ist mit dem aufgebautMembran als eine Platte eines Parallelplattenkondensators. Die beliebteste Form dieses Mikrofontyps ist dasElektret-Kondensatormikrofon, bei dem die Platten permanent elektrisch aufgeladen werden . Wenn eine Schallwelle dazu führt, dass die geladene Membranplatte vibriert, ändert sich die Spannung an den Platten, wodurch ein Signal erzeugt wird, das verstärkt und an das Aufzeichnungsgerät übertragen werden kann. EinDer Verstärker ist häufig im Mikrofon montiert, daher erfordert dieser Mikrofontyp die Verwendung einer Batterie zur Stromversorgung des Verstärkers. Da die Membran eines Kondensatormikrofons im Vergleich zum massereicheren dynamischen Mikrofon sehr leicht sein kann, kann es schneller und bei höheren Frequenzen reagieren. Folglich haben Kondensatormikrofone im Allgemeinen eine bessere Linearität und einen größeren Frequenzbereich als dynamische Mikrofone.

Das Kristallmikrofon verwendet ein PiezoelektrikumKristall als sein Wandler . Piezoelektrische Kristalle sind langlebig und billig und haben eine relativ große elektrische Leistung. Aus diesem Grund werden sie häufig in Telefonen und tragbaren Soundsystemen verwendet. Sie haben keine sehr gute Linearität und sind daher für eine qualitativ hochwertige Tonaufnahme nicht ausreichend .

Das Das Bändchenmikrofon ist insofern einzigartig, als es auf die Luftgeschwindigkeit der Schallwelle und nicht auf Druckschwankungen reagiert. Da Bändchenmikrofone sehr empfindlich sind, können sie nicht dort eingesetzt werden, wo sie mechanischen Stößen ausgesetzt sind. Bändchenmikrofone sind bidirektional und können verwendet werden, um Geräusche von beiden Seiten des Mikrofons gleich gut aufzunehmen.

Lautsprecher

Elektromagnetische Lautsprecher

Die meisten Lautsprecher sind elektromagnetischer oder dynamischer Art, bei denen a Schwingspule bewegt sich in der Lücke einer bleibendenMagnet, wenn ein zeitlich variierender Strom durch die Spule fließt. Der Magnet hat im Allgemeinen die Form eines "W" oder eines Rings. Die Membran oder der Kegel eines solchen Lautsprechers bewegt sich mit der Spule und wandelt den elektrischen Strom in der Spule in einen umDruckwelle . Eine brennende Kerze vor einem Lautsprecherkegel, der mit etwa 10 Hertz schwingt, kann die Schallwelle „sichtbar“ machen, da die Flamme in Längsrichtung mit der Luft hin und her vibriert.

Wie bei Mikrofonen werden Lautsprecher weitgehend nach ihrer Frequenzlinearität bewertet. Um Gutes zu erreichenfrequency response at low frequencies, it is necessary to use a rather large cone; however, owing to the relatively large mass of the loudspeaker coil and cone, it is difficult to achieve good response at high frequencies with the same loudspeaker. Response can be improved by using rather large magnets, but these make a good loudspeaker rather heavy. In addition, the suspension of the coil in the magnet gap is critical, because it must provide for both rapid response and quick damping to its equilibrium position when the signal ceases. Each loudspeaker has a frequency at which it resonates most readily. For large loudspeakers this resonant frequency is useful in enhancing the bass response of the system.

Loudspeakers are mounted in a box, horn, or other enclosure in order to separate the waves from the front and the rear of the loudspeaker and thereby prevent them from canceling each other. The most common type of enclosure is the acoustic suspension system, in which the loudspeaker is mounted in an airtight box. To prevent resonances in the box of the type described by equation (36) in the article sound, the inside is generally coated with some sound-absorbent material. Because of the airtight seal, the cone must compress and expand the air inside the box as it moves, so that this type of system is not very efficient in converting electrical energy into sound, especially at bass frequencies.

The tuned port or bass reflex enclosure achieves greater efficiency and extends the bass frequency range by carefully adjusting the shape and position of a hole or tube connecting the inside of the speaker box with the outside. The volume of the box thus acts as a type of Helmholtz resonator, with a resonant frequency that is determined by the geometry of the hole or tube and is deliberately chosen so that it extends the frequency range of the speaker system smoothly to a significantly lower value. In addition, the existence of the port greatly reduces the air pressure variation inside the box, allowing the loudspeaker cone to move much more freely. For these reasons, the typical bass reflex enclosure is much more efficient than the typical acoustic suspension system.

A horn enclosure uses a flared tube to obtain the best acoustic coupling between the loudspeaker cone and the outside, thereby radiating the best possible coherent wave from the speaker cone. Such a system is extremely efficient and is therefore used in public-address systems, open-air theatres, or other places in which great acoustic power is desired. Because a good quality bass horn enclosure is very large, such devices often use bent or folded tubes. The Klipschorn, named for its inventor, the American engineer Paul W. Klipsch, uses the walls in the corner of a room as part of the flared horn.

Because high efficiency and linearity of a single speaker cannot be extended over the entire audible frequency range, loudspeaker systems are generally formed from two or more individual loudspeakers. A larger speaker, or Woofer , erzeugt die niedrigeren Frequenzen, während ein kleinerer Lautsprecher oderHochtöner , erzeugt die höheren Frequenzen. In einem solchen Zweiwege-System wird eine passive elektronische Schaltung mit der Bezeichnung aEin Crossover-Netzwerk wird verwendet, um die höheren und niedrigeren Frequenzen auf den entsprechenden Lautsprecher zu lenken. Ein größeres oder effizienteres Drei-Wege-System kann a hinzufügenMitteltöner, der zu einer nahezu linearen Reaktion zwischen Tieftöner und Hochtöner beiträgt.

Die Lautsprecher-Arrays sind regelmäßig groß zu sehen auditoriums often make use of a single woofer and a single midrange speaker but two or even three high-frequency tweeters. The necessity for using a greater number of tweeters arises from the relatively smaller diffraction of high-frequency (or low-wavelength) sound waves. Because these spread out less and are therefore more directional, it may be necessary to provide several tweeters and aim them so as to cover the entire auditorium. This is unnecessary for the woofer because of the large diffraction of long wavelengths.

Electrostatic speakers

Electrostatic loudspeakers make use of a large, thin metal plate between two parallel screens. An amplified audio signal is impressed onto the screens, polarizing the metal sheet, and the resulting electrostatic force creates a motion of the sheet, producing a sound wave. Electrostatic speakers function well at high frequencies, but they are unable to move enough air to perform well at low frequencies and often require somewhat greater power than electromagnetic speakers. Because of these limitations and other technical problems, they have seen only limited use and are not popular in consumer audio systems.