КОНТАКТНЫЙ ЕМКОСТНЫЙ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЙ МИКРОФОН Российский патент 1994 года по МПК H04R19/00 

Изобретение предназначено преимущественно для использования в медико-биологических исследованиях, но может быть также использовано в технике для регистрации акустических волн, распространяющихся в электропроводных средах на границе с диэлектриком.

Микрофоны, предназначенные для фиксации звуковых феноменов, возникающих в организме человека или животных, должны быть защищены от воздействия внешних акустических помех, распространяющихся по воздуху.

Для достижения цели такие микрофоны строятся на основе электроакустических преобразователей с подвижной мембраной, снабженных приспособлениями, изолирующих чувствительную мембрану от внешних шумов, или же строятся как инерционные микрофоны.

И в том и другом случае верность передачи и восприимчивость к внешним помехам зависят от качества контакта с кожей, поскольку наличие акустических утечек между чувствительным элементом микрофона и кожей ведет к непосредственному воздействию внешних акустических помех на этот элемент и к появлению частотно-фазовых искажений, не свойственных применяемому электроакустическому преобразованию.

Фактором, ухудшающим контакт микрофона с кожей, является волосяной покров, выраженный в той или иной степени практически на любых участках кожи человека, не говоря уже о животных. Установка чувствительной мембраны преобразователя непосредственно на кожу по этой же причине не избавляет от внешних помех, кроме того, при трении волоса о мембрану возникают дополнительные импульсные помехи.

Радикальным решением для устранения указанных недостатков является использование для построения контактного микрофона электроакустического преобразователя, не имеющего собственного подвижного звуковоспринимающего элемента.

Такое решение может быть получено на основании емкостного преобразователя согласно патенту Великобритании N 1450709. При этом имеется в виду возможность использования в качестве подвижного электрода (мембраны) преобразователя кожи объекта исследования, имеющей электропроводность. Колебания кожи под влиянием исходящих изнутри организма звуковых волн при размещении неподвижных электродов на небольшом расстоянии от нее могут быть использованы для получения электрического сигнала, аналогичного колебаниям кожи.

Воздействие внешних акустических шумов на выходной сигнал возможно лишь в той мере, в какой эти шумы вызывают колебания кожи, являющейся менее подвижной, чем специально приспособленная для восприятия слабых колебаний мембрана электроакустического преобразователя.

Наличие волоса между кожей и неподвижными электродами преобразователя не влияет на выходной сигнал, так как хотя диэлектрическая проницаемость волоса и отличается от таковой воздуха, объем этого диэлектрика между пластинами конденсатора постоянен и емкость его может измениться только за счет перемещения кожи. Трение волоса о неподвижные электроды преобразователя не вызывает появления выходного сигнала микрофона, поскольку пластина, на которой расположены неподвижные электроды, может быть сделана достаточно жесткой и не перемещающейся по отношению к коже от прикосновения волоса.

Непосредственное использование преобразователя по патенту Великобритании N 1450709 невозможно по следующим причинам: необходимостью подачи поляризующего постоянного напряжения на биологический объект, что не всегда приемлемо; малой собственной емкостью преобразователя, поскольку расстояние от неподвижных электродов до проводящих слоев кожи не может быть меньше толщины рогового слоя кожи с толщиной воздушной прослойки между неподвижными электродами и кожей, обеспечивающей свободные колебания кожи; малая величина собственной емкости преобразователя обусловливает нагрузку преобразователя со стороны усилителя порядка тысяч мегаом, что ведет к высокой чувствительности к наводкам со стороны осветительных сетей переменного тока, частота которого находится в полосе звуковых частот.

На фиг. 1 показана схема микрофона; на фиг. 2 - схема блока обработки.

Схема микрофона содержит цилиндрический корпус из диэлектрика в виде стакана 1, внутренний электростатический экран 3, расположенную на расстоянии, равном 0,1. . . 0, , 05 диаметра корпуса, диэлектрическую пластину с плоскими электродами 5 и 6 в равной площади, симметричных относительно центра, находящегося на оси цилиндра, блок 7 обработки, соединенный с электродами 5 и 6, а также с кабелем 8 питания и выхода 8, блока 7 обработки содержит электроакустический преобразователь 9, состоящий из дифференциального конденсатора, образованного электродами 5 и 6 - с одной стороны, и элементами 10, , эквивалентными проводящему слою кожи, объекта, резисторов 11 и 12, эквивалентных потерям в подэлектродном участке кожи для тока радиочастоты, емкости 13, эквивалентной емкости тела объекта исследования относительно общего провода аппарата, резистора 14, эквивалентного потерям в емкости 13; емкость 15 соответствует емкости монтажа входа усилителя, генератор 16 тока радиочастоты с симметричным выходом, ток которого подается на электроды 5 и 6, симметричный повторитель напряжения на транзисторах 17-20, на входы которого подается напряжение с электродов 5 и 6, диодный детектор, симметричный по входу, на который подается радиочастотное напряжение с выходов повторителя 17-18-19-20 и с выхода которого снимается выходной сигнал микрофона. В данной схеме выходной ток транзисторов 18 и 19 используется для получения напряжения на коллекторах транзисторов 17 и 20, компенсирующего влияние емкости 15 и емкостей коллекторных переходов транзисторов 17 и 20 на напряжение, возникающее при прохождении тока генератора 16 через емкость преобразователя 9.

Использование тока радиочастоты для поляризации преобразователя позволяет уменьшить входное сопротивление сопряженного с преобразователем усилителя и влияние наводок на тело объекта со стороны осветительных электросетей.

Симметричное построение схемы позволяет уменьшить влияние наводок со стороны источников радиочастотного излучения, например радиостанций.

Частота генератора 16 тока выбирается в 10-20 раз выше верхней рабочей частоты микрофона для облегчения фильтрации в детекторе 21 и, предпочтительно, между длинноволновым и средневолновым радиовещательными диапазонами с целью уменьшения вероятности интерференции с частотами мощных радиостанций.

При использовании тока указанной частоты легко может быть достигнута входная активная проводимость усилителя, обусловленная приемлемой величиной нелинейных искажений преобразования. Емкость же, нагружающая преобразователь, не может быть менее чем сумма монтажной емкости 15 и половины емкости коллекторного перехода входных транзисторов 17 и 20. Величина этой емкости составляет 0,5. . . 2,0 емкости преобразователя 9 и обусловливает появление нелинейности преобразования, поэтому в схем предусмотрена компенсация этих емкостей путем подачи на коллекторы транзисторов 17 и 20 напряжения, синфазного с напряжением на базах этих транзисторов. Цепи постоянного тока в схеме фиг. 2 не показаны.

Работает микрофон следующим образом. При установке микрофона на кожу объекта исследования срезом 2 за счет приближения к электродам 5, 6 проводящих слоев кожи емкость между этими электродами увеличивается. При колебаниях проводящих слоев кожи под воздействием акустических волн происходит модуляция величины емкости между электродами 5, 6, что в свою очередь ведет к модуляции напряжения радиочастоты между этими электродами, возникающего при прохождении через междуэлектродную емкость тока радиочастоты от генератора 16. Модулированное по амплитуде напряжение радиочастоты поступает на повторитель 17-18-19-20, согласующий выходное сопротивление преобразователя 9 с входным сопротивлением амплитудного детектора 21, который, выделяя огибающую модуляции, формирует выходной сигнал микрофона.

При работе с животным для облегчения приближения пластины 4 к коже срез 2 корпуса может быть фестончатым или же может быть предусмотрена установка пластины 4 в плоскости среза 2. При необходимости подавления резонансных явлений в воздушной прослойке между кожей и пластиной 4 можно предусмотреть изготовление корпуса с перфорациями на участке между срезом 2 и пластиной 4.

Вышеуказанные изменения не ведут к повышению восприимчивости к внешним шумам, равно как установка микрофона не на кожу человека непосредственно, а на одежду. При этом увеличение толщины одежды будет вызывать повышение собственных шумов микрофона и увеличение нелинейности за счет рассогласования преобразователя 9 с входным сопротивлением повторителя 17-18-19-20. (56) Патент Великобритании N 1059481, кл. H 04 R 19/00, 1967.

Патент Великобритании N 1450709, кл. G 01 L 9/12, 1976.

Использование: для медико-биологических целей. Сущность изобретения: микрофон состоит из цилиндрического корпуса в виде стакана, расположенных в корпусе электростатического экрана, диэлектрического диска, на внутренней поверхности которого имеются плоские электроды, соединенные с блоком обработки генератора тока радиочастоты. Особенностью микрофона является использование в качестве подвижного электрода проводящих слоев кожи объекта исследования. Блок обработки выполнен в виде симметричного повторителя напряжения и диодного детектора. Выходы генератора тока связаны с электродами, которые подключены к входу блока обработки. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. КОНТАКТНЫЙ ЕМКОСТНЫЙ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЙ МИКРОФОН , содеpжащий цилиндpический диэлектpический коpпус и pасположенные в нем диэлектpический диск, два плоских кольцевых металлических электpода, концентpично pасположенных на одной из повеpхностей диэлектpической пластины с зазоpом относительно дpуг дpуга, электpический генеpатоp, блок обpаботки, входы котоpого подключены к соответствующим электpодам, а выход - к кабелю, пpичем коpпус, диэлектpический диск и электpоды pазмещены соосно, отличающийся тем, что в него введен электpостатический экpан, pасположенный на внутpенних стенках коpпуса, электpический генеpатоp выполнен в виде генеpатоpа тока pадиочастоты с симметpичным выходом и связан с электpодами, коpпус выполнен в фоpме стакана, диэлектpический диск pасположен у откpытого тоpца коpпуса, электpоды pазмещены на внутpенней повеpхности диэлектpического диска, а блок обpаботки выполнен в виде симметpичного повтоpителя напpяжения на четыpех тpанзистоpах и симметpичного по входу линейного диодного детектоpа, входы котоpого подключены к выходам повтоpителя напpяжения, а выход - к кабелю, пpичем повтоpитель напpяжения выполнен с цепью компенсации его входной емкости, а входы повтоpителя напpяжения связаны с соответствующими электpодами. 2. Микpофон по . 1, отличающийся тем, что коpпус у откpытого тоpца выполнен фестончатым на глубину до внешней повеpхности диэлектpического диска.