Моделювання мікрофона

Завдання роботи:

виготовити і випробувати прототип вугільного мікрофона.

Обладнання:

сірникова коробка, графітові олівці, канцелярський ніж, шило, з’єднувальні провідники з затисками типу «крокодил», елемент живлення «Крона» або інше джерело струму 5…9 В, навушники.

Основні терміни та поняття

Властивості звуку – Механічні хвилі Акустика. Звукові хвилі – Механічні хвилі ЗВУК. ЗВУКОВІ ХВИЛІ. ІНТЕНСИВНІСТЬ, ВИСОТА І ТЕМБР ЗВУКУ – МЕХАНІЧНІ ХВИЛІ. ЗВУК Мікрофон Вугільний мікрофон

Теоретична частина

Рис. 1. Загальний вигляд схеми з мікрофоном

Мікрофоном називається електроакустичний прилад, що перетворює акустичні коливання на електричний струм.

За принципом дії мікрофонів можна виділити декілька їх основних типів.

Найстарші, вугільні мікрофони використовують властивість вугільного порошку змінювати опір  залежно від сили стиску порошку мембраною, що коливається під дією звукового тиску.

У п’єзоелектричних мікрофонах використовується п’єзоелектричний ефект, сутність якого полягає у виникненні електричних зарядів на поверхні кристалів деяких речовин (наприклад сегнетової солі) при їх деформації під дією тиску (в тому числі звукового), величина яких пропорційна деформувальній силі.

Мікрофони магнітоелектричного типу перетворюють акустичну енергію на електричну, використовуючи явище електромагнітної індукції. Конструктивно такі мікрофони виконують або з рухомою котушкою (динамічні мікрофони) або з рухомою стрічкою (стрічкові мікрофони).

Конденсаторні, або електростатичні мікрофони використовують залежність ємності конденсатора від переміщень його рухомої пластини під дією звукових коливань. Різновидом конденсаторних мікрофонів є електретні мікрофони. Принцип їхньої дії базується на здатності деяких діелектричних матеріалів (електретів) зберігати поверхневу неоднорідність розподілу заряду протягом тривалого часу. Ці матеріали використовують як діелектричне заповнення конденсатора, що дає змогу формувати поляризувальну напругу без підключення до зовнішніх джерел енергії.

Найбільш розповсюдженими нині є динамічні, конденсаторні та електретні мікрофони.

У цій роботі пропонується виготовити і випробувати різновид вугільного мікрофона, описаного за посиланням: https://www.instructables.com/id/Matchbox-Microphone/. Внутрішня будова мікрофона представлена на рисунку 2.

Рис. 2. Внутрішня будова мікрофона

Основними елементами мікрофона є картонна коробка, яка слугує його корпусом, і графітові стрижні. Два довгих (контактних) графітових стрижня жорстко кріпляться до коробки в її отворах, а третій, короткий, який є чутливим елементом, вільно лежить на двох довгих. Щоб уникнути катання чутливого стрижня по контактних, на них роблять плоскі майданчики.

Принцип дії цього мікрофона ґрунтується на тому, що коли акустичні коливання певної частоти діють на чутливий стрижень, він вібрує з тією самою частотою. При вібрації чутливого стрижня опір між ним і контактними стрижнями змінюється в такт зі звуковими вібраціями.

Для покращення властивостей мікрофона його корпус бажано закрити, залишивши невеликий отвір у кришці або декілька дрібних отворів (рис. 3). У такому випадку корпус відіграватиме роль резонатора.

Рис. 3. Вигляд мікрофона з закритим корпусом

Для випробування мікрофона знадобляться навушники і джерело живлення. Схема підключення мікрофона представлена на рис. 4.

Навушники підключають послідовно з джерелом живлення і мікрофоном. Коли мікрофон перебуває у стані спокою, через динамік навушників проходить певний постійний струм, і його мембрана не коливається. При дії звуку на мікрофон його опір змінюється в такт зі звуковою вібрацією чутливого стрижня, і струм через навушники змінюється так само, що призводить до появи звуку в динаміку.

Рис. 4. Схема підключення мікрофона

Полярність підключення батареї не має значення.

Хід роботи

1. Візьміть порожню сірникову коробку, дістаньте з неї внутрішню частину і за допомогою шила зробіть отвори для контактних стрижнів. Розміщення отворів видно на рис. 2. Відстань між отворами – близько 15 мм, діаметр отворів – не більше 2 мм.
2. У кришці сірникової коробки канцелярським ножем проріжте невеликий отвір (приблизно 1×1 см) або зробіть декілька дрібних отворів, скориставшись шилом.
3. Візьміть два простих олівці та за допомогою канцелярського ножа акуратно розділіть їх навпіл і витягніть графітові стрижні. Вам знадобляться два відрізка графітових стрижнів довжиною 6…9 см та один довжиною близько 3 см.
4. На стрижнях за допомогою канцелярського ножа зробіть плоскі майданчики.
5. Вставте контактні стрижні в отвори (рис. 2), розверніть їх плоскими майданчиками догори та покладіть на них чутливий стрижень плоским майданчиком донизу.
6. Вдягніть на корпус мікрофона кришку отвором догори (рис. 3).
7. З’єднайте мікрофон із навушниками і батареєю відповідно до схеми на рис. 4, керуючись також    рис. 1. Якщо у вас гарнітура з двома штекерами, то використовуйте штекер навушників.
8. Вдягніть навушники і постукайте твердим предметом по столу біля мікрофона. В одному з навушників повинен відтворюватися звук.
9. Відійдіть на максимально можливу відстань від мікрофона з навушниками і попросіть товариша поговорити в мікрофон або піднести до нього джерело звуку, наприклад смартфон із увімкненою музикою.
10. За бажанням створіть переговорний пристрій із двох мікрофонів і двох пар навушників.

Аналіз даних

Дійдіть висновків щодо принципу дії та якості створеного прототипу вугільного мікрофона.