МИНИАТЮРНЫЙ КОНДЕНСАТОРНЫЙ ЭЛЕКТРЕТНЫЙ МИКРОФОН Российский патент 1994 года по МПК H04R19/04 

Изобретение относится к технике электроакустических преобразователей, в частности к миниатюрным электретным конденсаторным микрофонам.

Имеется множество аналого-миниатюрных конденсаторных электретных микрофонов, например микрофоны "М-1", "М-4" отечественного производства. В этих микрофонах, включающих в себя предварительный усилитель, мал КПД микрофона, а именно соотношение сигнал/шум и чувствительность.

Прототипом настоящего изобретения является микрофон модели "2140" швейцарской фирмы Lectret. В этом микрофоне в корпусе с крышкой имеется приемный узел и предварительный усилитель. Недостатком этого прототипа является недостаточный КПД, а именно соотношение сигнал/шум и чувствительность.

Целью изобретения является повышение КПД и чувствительности микрофона.

Цель достигается тем, что в электретном конденсаторном миниатюрном микрофоне, содержащем прямоугольный корпус с входным акустическим отверстием на одной из стенок с расположенным на нем согласующим усилителем в виде полевого транзистора, двумя узлами приема, каждый из которых содержит изолированные друг от друга подвижный и неподвижный электроды с установленным на последнем электретом, плоскости подвижных электродов установлены симметрично относительно плоскости, проходящей через ось входного акустического отверстия параллельно двум противостоящим стенкам корпуса, и образуют острый угол, ребро которого расположено на противоположной акустическому входному отверстию стенке корпуса, а неподвижные электроды подсоединены параллельно к входу согласующего предварительного усилителя.

Отличительными признаками являются: плоскости подвижных электродов установлены симметрично относительно плоскости, проходящей через ось входного акустического отверстия параллельно двум противоположным стенкам корпуса, и образуют острый угол, ребро которого расположено на противоположной акустическому входному отверстию стенке корпуса, неподвижные электроды подсоединены параллельно к входу согласующего предварительно усилителя.

При проведении патентных исследований не обнаружено технических решений, содержащих отличительные признаки, ни порознь, ни в совокупности. Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критерию "новизна". Наличие этих признаков сообщает объекту новые свойства (более высокий КПД, а именно более высокое соотношение сигнал/шум, более высокую чувствительность, что обеспечивает соответствие критерию "существенные отличия".

Положительный эффект достигается тем, что при осуществлении изобретения получаются вышеуказанные свойства.

На фиг.1 - миниатюрный электретный конденсаторный микрофон, осевое сечение; на фиг. 2 - миниатюрный электретный конденсаторный микрофон; вид в плане; на фиг.3 - электрическая схема миниатюрного электретного конденсаторного микрофона; на фиг.4 - электрическая эквивалентная схема миниатюрного электретного конденсаторного микрофона.

Микрофон содержит корпус 1, дно 2, крышку 3, образующие коробку микрофона. На передней стенке 4 корпуса 1 в центре имеется отверстие 5 акустического входа, к стенке 4 приварен патрубок 6 с акустическим сопротивлением 7 в виде тонкой металлической сетки. На этой же стенке 4 выше и ниже отверстия 5 выполнены опоры 8, плоскости которых параллельны плоскостям дна и крышки. В корпусе установлены два узла 9 и 10 приема, каждый из которых включает в себя металлическую рамку 11, на которую наклеена мембрана 12, представляющая собой пленку типа "ПЭТ-КЭ", металлизированную со стороны приклейки к рамке 11. С другой стороны к мембране 12 приклеена калиброванная по толщине изоляционная прокладка 13, определяющая величину зазора между мембраной 12 и неподвижным электродом 14, на который наварен массивный электрод 15. На неподвижный электрод 14 с другой стороны приклеен (способом ламинирования) изолятор 16, объединяющий детали 13-15. Узлы 9 и 10 приема с одной стороны опираются на опоры 8, с противоположной стороны опираются друг на друга и приклеены по всему периметру к стенкам корпуса 1, так что клеевой слой герметизирует все возможные зазоры между корпусом и узлами приема и жестко фиксирует их относительно друг друга и стенок корпуса 1 . Установленные таким образом узлы приема разделяют полость микрофона на три герметично разделенные друг от друга полости 18-20, при этом полость 19 имеет форму клина, симметричного относительно средней плоскости, проходящей через ось отверстия 5 акустического входа. На крышке 3, например, наклеена изоляционная плата 21, на которой установлена микросборка усилителя 22 и электроды 23, подсоединяющие микрофон к выводным контактам 24.

Узлы 9 и 10 электрически подсоединены к входу усилителя 22 параллельно. На электрической схеме (фиг.3) микрофон представляет собой узлы 25 приема, подсоединенные к входу усилителя 26, где С_с суммарная емкость капсюлей 9 и 10 С_е - ЭДС, приведенная к IПа (чувствительность капсюля) а R_iw и C_L - активная и емкостная нагрузка капсюля 25 на входе усилителя 26, имеющего коэффициент усилителя G с выходным напряжением е.

С учетом источников шума, изображенных на фиг.4 в виде генераторов шумового напряжения, включенных последовательно с усилителем, и генератора шумового тока, включенного параллельно входу усилителя, схема на фиг.3 преобразуется в схему на фиг.4, где e_R - шумовое напряжение на входном сопротивлении R_iN; e_N - шумовое напряжение предусилителя, точнее его нолевого транзистора; i_N - шумовой ток усилителя с выходным напряжением е.

Работает микрофон следующим образом. Звуковое давление через патрубок 6 и отверстие 5 в передней стенке корпуса 1 проходит в полость 19, имеющую клиновидную форму. Клиновидная форма этой полости обеспечивает более гладкую форму А.Ч.Х. без резонансовых пиков.

Главное не то, что такая форма полости 19 позволяет увеличить объем подмембранных полостей 18 и 20, что позволяет увеличить податливость этих полостей и обеспечить увеличение чувствительности на нижних частотах, точнее уменьшить спад чувствительности с 12 дБ (октава до 6 дБ) октава в диапазоне 1000 + 100 Гц.

Ширина основания клина определяется диаметром отверстия 5 и толщиной опор 8. Угол между плоскостями составляет 7^о (рад.).

Параллельное электрическое соединение капсюлей обеспечивает удвоение емкости микрофона С_с, что приводит к увеличению КПД, т.е. соотношения сигнал/шум, приблизительно в три раза.

Последнее связано с тем, что миниатюрный конденсаторный микрофон имеет емкость узла приема С_с ≈ 9nФ, в результате чего его выходное полное сопротивление оказывается очень высоким во всем диапазоне звуковых частот |X_c| ≥1Mом и в конструкцию микрофона вводится предварительный усилитель 26, на выходе которого имеется выходное сигнальное напряжение, определяемое соотношением
е = e_c˙ G/(1 + C_L/C_C), из которого следует, что чувствительность микрофона растет с ростом С_с.

Шумовое напряжение на выходе усилителя будет определяться соотношением:
е_Т ( f ) = [ e_R'² ( f ) + e_i² (f) + e_N² ( f ) ]^1/3 B, где e_R' ( f ) = [ 4KTR_iN/ ( 1 + f / f_c )² ]^1/3 B;
e_i ( f ) = i_N ( f ) ˙R_iN / [ 1 + ( f / f_c )² ]^1/3, B;
e_N - шумовое напряжение полевого транзистора;
f - частота;
f_c - частота среза, определяемая соотношением:
f_c = 1/2π R_iN (C_L + C_c);
K - постоянная;
Т - температура в Кельвинах.

Обычно: 5≅e_N≅40 нВ/Гц^1/3.

(0,5≅i_N≅2,0)˙10^-3 нА/Гц^1/3.

Шумовой ток дает незначительный вклад в общий шум при R_iN≅10⁴ МOм. В миниатюрных микрофонах R_iN должно быть больше 10² МOм.

Таким образом, шумовое напряжение резистора при f < f_c в 40+100 раз больше, чем шумовое напряжение от шумового тока. В результате шумовое напряжение на входе усилителя определяется шумом резистора, а напряжение шума на выходе усилителя определяется соотношением:
e₀(f)= G_B или
e₀(f)= G _,B при f >> f_c.

Уменьшение f_c и снижение шума достигаются путем увеличения общей емкости узла приема С_с, для чего в корпусе микрофона устанавливают два конденсаторных электретных узла приема, электрически соединенных параллельно, что увеличивает С_с в два раза.

В результате КПД или соотношение сигнал/шум возрастет в три раза соотносительно прототипа с теми же габаритами.

Уменьшение объема замембранной полости почти в два раза у каждого узла приема расширяет диапазон частот микрофона в сторону верхних частот, ибо резонансная частота-функция, аргументом которой является величина, обратная объему замембранной полости. Рост чувствительности микрофона, обусловленный увеличением емкости капсюля, осуществляется неполностью, т.е. не в два раза, а меньше из-за уменьшения их податливости. Благодаря клиновидности уменьшение объемов происходит не вдвое, а меньше, поэтому чувствительность возрастает. Экономическая эффективность изобретения не определялась. Положительный эффект состоит в улучшении КПД, т.е. за счет увеличения отношения сигнал/шум и увеличения чувствительности.

Использование: в технике электроакустических преобразователей. Сущность изобретения: устройство содержит прямоугольный корпус с входным акустическим отверстием на одной из стенок с расположенным в нем согласующим предварительным усилителем в виде полевого транзистора, двумя узлами приема, каждый из которых содержит изолированные друг от друга подвижный и неподвижный электроды с установленным на последнем электретом, при этом плоскости подвижных электродов установлены симметрично относительно плоскости, проходящей через ось входного акустического отверстия, параллельную двум противолежащим стенкам корпуса, и образуют острый угол, ребро которого расположено на противоположной акустическому входному отверстию стенке корпуса, а неподвижные электроды подсоединены параллельно к входу согласующего предварительного усилителя. 4 ил.

МИНИАТЮРНЫЙ КОНДЕНСАТОРНЫЙ ЭЛЕКТРЕТНЫЙ МИКРОФОН, содержащий прямоугольный корпус с входным акустическим отверстием на одной из стенок с расположенным в нем согласующим предварительным усилителем в виде полевого транзистора, двумя узлами приема, каждый из которых содержит изолированные друг от друга подвижный и неподвижный электроды с установленным на последнем электретом, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД и чувствительности, плоскости подвижных электродов установлены симметрично относительно плоскости, проходящей через ось входного акустического отверстия, параллельную двум противолежащим стенкам корпуса, и образуют острый угол, ребро которого расположено на противоположной акустическому входному отверстию стенке корпуса, а неподвижные электроды подсоединены параллельно к входу согласующего предварительного усилителя.