1.4.3. Электретные микрофоны
Электретные материалы являются близкими родственниками пьезо- и пироэлектриков. На самом деле все они являются электретными материалами с ярко выраженными либо пьезоэлектрическими, либо пироэлектрическими свойствами. Электрет - это диэлектрический материал кристаллической структуры с постоянной электрической поляризацией. Первое описание применения электретных материалов для изготовления микрофонов и наушников дано в 1928 году. Электретные микрофоны — это электростатические преобразователи, состоящие из металлизированной электретной диафрагмы и металлической пластины, отделенных друг от друга воздушным зазором (рис. 4).
Рис.4. Структура электретного микрофона: толщина слоев на рисунке значительно увеличена для облегчения понимания принципа действия этого устройства
Верхний слой металлизации и металлическая пластина соединены друг с другом через резистор R. Напряжение на этом резисторе усиливается и используется в качестве выходного сигнала микрофона. Поскольку электрет является электрически поляризованным диэлектриком, плотность заряда на его поверхности σ1, является постоянной величиной. Этот заряд приводит к формированию в воздушном зазоре электрического поля Е1. Когда акустическая волна ударяется о диафрагму, она отклоняется вниз, уменьшая воздушный зазор s1, на величину Δs. Отклонение диафрагмы приводит к появлению на электродах напряжения:
(2)
Фазы изменения напряжения и отклонения диафрагмы совпадают. Если датчик обладает емкостью С, уравнение (2) изменится:
(3)
где f – частота звуковой волны.
Возвратные силы, действующие на мембрану, определяются упругостью воздуха в зазоре, эффективная толщина которого равна s0, к механическим напряжением мембраны Т. Считая величину потерь незначительной, зависимость перемещения мембраны As от величины звукового давления Δр можно записав в виде:
(4)
где
γ —
удельная
теплоемкость, р0
-
атмосферное давление, А
-
площадь диафрагмы. Если считать, что
чувствительность микрофона определяется
выражением:
,
ее
значение в условиях резонанса можно
найти из уравнения:
(5)
Из последнего выражения видно, что чувствительность микрофона не зависит от площади диафрагмы. Если масса мембраны равна m, резонансная частота определяется выражением:
(6)
Эта частота должна быть значительно выше верхней частоты рабочего диапазона микрофона.
Электретные микрофоны отличаются от других аналогичных устройств тем, что им для работы не требуется дополнительного источника постоянного напряжения, тогда как, при таких же размерах и чувствительности, на емкостной микрофон необходимо подавать напряжение выше 100 В. Механическое напряжение диафрагмы обычно довольно маленькое (около 10 Н/м), поэтому возвратная сила определяется, в основном, сжимаемостью воздушного зазора. Для изготовления диафрагмы иногда используют Teflon FEP (FEP — фторированный этилен пропилен). Температурная чувствительность электретных микрофонов составляет порядка 0.03 дБ/єС в диапазоне температур -10...+50°С.
Электретные микрофоны обладают рядом достоинств: они могут работать в широком частотном диапазоне от 10-3 Гц до сотен Мгц, у них плоская частотная характеристика (в пределах ± 1дБ), они обладают: низким уровнем нелинейных искажений, высокой виброустойчивостью, хорошей реакцией на импульсное возмущение и нечувствительностью к магнитным полям. Чувствительность электретных микрофонов составляет порядка нескольких мВ/мкбар.
Для работы в инфразвуковом диапазоне в металлической пластине электретных микрофонов проделываются отверстия для выравнивания давления. Также здесь часто требуется подача дополнительного напряжения смещения (как в емкостном микрофоне) для усиления поляризации.
Электретные микрофоны обладают высоким импедансом, поэтому интерфейсные схемы для работы с ними должны иметь высокий входной импеданс. До недавнего времени на входе интерфейсных плат всегда стояли полевые транзисторы. Теперь все большую популярность завоевывают монолитные усилители. Примеров таких усилителей служит LMV1014 (National Semiconductors), являющийся звуковым усилителем с очень низким потреблением тока (38 мкА), работающий от небольшой батарейки напряжением 1.7...5 В.