AKUSZTIKAI ALAPOK. HANG. ELEKTROAKUSZTIKAI ÁTALAKITÓK

Mindennapi életünk során az ismeretek jelentős részét hallás útján, a fülünkkel érzékeljük és dolgozzuk fel. Ebből következik, hogy a híradástechnika egyik fontos területe a hangjelek feldolgozása és továbbítása. A felhasznált berendezések megtervezéséhez egyaránt szükségesek a hang fizikai tulajdonságainak és a fül sajátságos pszichofizikai jellemzőinek az alapos ismerete. Ebben a fejezetben megismerkedünk a hang fizikai jellemzőivel, a hallás fiziológiai jellegzetességeit figyelembevevő mennyiségekkel, a mesterséges hangtér leírásával, a hangvétel és a hangvisszaadás eszközeivel.

A hang fizikai leírása

Fizikai jellegét tekintve a hang valamilyen rugalmas közeg mechanikai rezgéséből áll. Ilyekor a rugalmas anyag azon részecskéi, amelyek külső hatásra kimozdultak nyugalmi helyzetükből, a rugalmassági erő és a tehetetlenség folytán periodikus rezgésbe jönnek. Szilárd anyagokban az úgynevezett testhang, cseppfolyós anyagokban a folyadékhang és levegőben a léghang keletkezik és terjed. Az emberi fül döntően a levegőben terjedő hangokat érzékeli, ezért a léghanggal kapcsolatos ismeretek (pl. hangkeltés, terjedés, érzékelés stb.) kiemelt jelentőségűek.

A léghang légnyomásingadozás formájában jelentkezik. Az állandó értékűnek tekinthető légköri nyomásra szuperponálódik a hangnyomás. A tér egy pontjában az eredő P(t) légnyomás a P0 - lal jelölt konstans légköri nyomás és a p(t) összegeként adható meg.

(4.1)

Eredő légnyomás

A továbbiakban csak az időben változó második taggal, a hangnyomással fogunk foglalkozni.

A hang fizikai jellemzésére leggyakrabban a hangnyomás effektív értékét szokás használni. A hangnyomás szabványos mértékegysége a Pa, ami 1 Newton erőhatást jelent 1 m2 felületen. (A konstans légköri nyomás közelítőleg 100 000 Pa). A hangnyomás értékét mérőmikrofonnal mérjük. Méréskor gyakori szokás az, hogy a mért hangnyomás és egy referencia érték arányát adják meg dB-ben. Ilyenkor a referencia  Pa, ami az átlagember számára az éppen meghallható 1000 Hz-es szinuszhang nyomásértéke. A hangnyomásszint tehát:

(4.2)

A tér egy pontjában létrehozott nyomáseltérés a szomszéd térrészek felé kiegyenlítődni igyekszik. A kiegyenlítődés során létrejön a részecskék elmozdulása, ami újabb, a szomszédos térrészekben kialakuló nyomáskülönbséget eredményez. Ilymódon ez a nyomásváltozás a térben hanghullámok formájában tovaterjed. A hanghullámok azonos fázisú pontjai közötti távolságot hullámhossznak nevezzük. A hullámhossz és a frekvencia szorzata egy állandó érték, ami a hang terjedési sebessége.

(4.3)

A hang terjedési sebessége c = 340 m/s. Ha a hang forrása pontszerű, és ha a térben a hang minden irányban akadálytalanul terjedhet, akkor gömbhullámok keletkeznek. A hangforrástól nagy távolságra az azonos fázisú gömbfelületek alig görbülnek, ezért ezeket már síkhullámoknak tekinthetjük. Síkhullámokra érvényes az, hogy a hangnyomás és a részecskesebesség hányadosa állandó.

(4.4)

ahol a levegő sűrűsége.

A gömb- és síkhullám

A hang jellemezhető az időegység alatt a felületegységen áthaladó energia nagyságával is. Ezt nevezzük hangintenzitásnak, értékét a hangnyomás és a részecskesebesség szorzataként számítjuk. Síkhullámoknál (4.3) egyenletet is behelyettesíthetjük:

(4.5)

Az intenzitást is gyakran viszonyítva, dB-ben kifejezve adjuk meg. Könnyen belátható, hogy a viszonyítási alap I₀ = 1 pW/m², ami az 1000 Hz-en éppen meghallható szinuszhang intenzitásértéke. Az intenzitásszint tehát:

(4.6)

Az emberi hallás fiziológiai tulajdonságai.

Tapasztalatból tudjuk, hogy az emberi hallás mind frekvencia, mind pedig a hangnyomás tartományokban korlátozott. Nagyszámú kísérleti alannyal végzett mérések alapján megállapították, hogy milyen hangnyomásszinteket vagyunk képesek még éppen meghallani a frekvencia függvényében. Ezen mérési eredményeket hallásküszöbnek is szokás nevezni. A hallásküszöb erősen függ a frekvenciától. Eszerint a fül érzékenysége a néhány kHz-es tartományban a legnagyobb, kisebb és nagyobb frekvenciákon az érzékenység leromlik (lásd ábra).

Az emberi hallás korlátai

Ezek alapján jól látszik, hogy a hallhatóság tartománya 20 Hz és 20 kHz közé esik. A nagyon erős hangok fájdalomérzetet keltenek. Ezt a határt fájdalomküszöbnek nevezzük. Ennek görbéje már nem annyira frekvenciafüggő. Ezen korlátokon belül találhatóak a zene és a beszéd tartományai. Jól látható, hogy a zene frekvencia és dinamikahatárai lényegesen nagyobbak, mint amelyekkel a beszéd rendelkezik.

A szubjektív hangosságérzet számszerűsítésére vezették be a hangerősség fogalmát. Ennek alapján egy tetszőleges hang hangerőssége annyi phon, ahány dB a vele azonos hangosságérzetet keltő 1 kHz-es szinuszhang hangnyomásszintje. (Ebben a kísérletben a mérendő hangot és a megfigyelő által változtatható szintű referencia hangot felváltva kell meghallgatni.) Ha a frekvencia függvényében összekötjük az azonos hangerősségű pontokat, akkor megkapjuk az úgynevezett Fletcher-Munson görbéket.

A Fletcher-Munson görbék

Egy adott frekvenciájú és adott hangnyomásszintű hang hangerősségét a görbékre írt phon érték alapján állapíthatjuk meg. Az így megállapított hangerősség jele LN. Ezen az alapon már eltérő frekvenciájú hangokat is össze tudunk hasonlítani a hangerősségük alapján.

Az egyidejűleg megszólaló hangok eredőjének meghatározására vezették be a hangosságot, melynek jele N és mértékegysége a son. A kiszámítás módja, ha a hangerősség meghaladja a 40 phont:

(4.7)

Eszerint 10 phon hangerősségnövekedésnek kétszer akkora hangosság felel meg. Amennyiben a különféle hangok nem közeli frekvenciájúak, akkor a sonban kifejezett hangerősségeik összegezhetőek. A 40 phon hangerősség 1 son értékű.

Frekvenciában közeli hangoknál fellép a hangelfedés jelensége. Ennek lényege az, hogy az első, zavarónak tekintett hang megemeli a másik, a vizsgálandó hang hallásküszöbét. A hangelfedést megvizsgálták tiszta szinuszos hangokra, keskeny és szélessávú zajokra. Az ábrán megadtuk különféle hangnyomásszintű 1000 Hz-es keskenysávú hangok által megnövelt hallásküszöböket. A hangelfedő hatás a magasabb frekvenciákon erősebben jelentkezik.

Hangelfedés

A hangjelenségek térben játszódnak le, ezért igen fontos a térinformációk felismerése is. Ezek közül leglegjelentősebb a hangforrás iránya. A vízszintes síkban a két fülünkbe jutó hangnyomáseltérés alapján lokalizáljuk a hangforrás irányát. Szemből érkező hanghullámok szimmetria okokból azonos hangnyomást keltenek mindkét fülünkben. Oldalirányú hanghullámok útjai eltérőek lesznek. Kisfrekvencián az útkülönbség okozta fáziseltérést detektálja a fülünk, míg magasabb frekvenciákon a fej árnyékoló hatása következtében fellépő intenzitákülönbséget érzékeljük. Más a helyzet a függőleges irányban, ugyanis a magasabbról érkező hangok is azonos hangnyomásokat keltenek mindkét fülben. Emiatt a vízszintestől való eltérést közvetlen módon nem tudjuk megállapítani. Az ilyen irányok érzékeléséhez a fej mozgatására is szükség van.

A hangtér mesterséges előállítása.

Az elérendő cél olyan mesterséges hangtér előállítása, amely tartalmaz minden lényeges információt a fül számára. Természetesen ez a követelmény más és más az egyes összeköttetésekben, hiszen a fül által érzékelhető egész frekvenciasávra, a mintegy 120 dB dinamikára, valamint a hangforrások lokalizálhatóságára nincs mindig szükség.

A hangtér előállításának különféle lépései és eszközei vannak. Az eredeti hangtérben történik a hangvétel, amelynek eszköze a mikrofon. Esetenként több mikrofont kell használnunk. A mikrofonok a hangnyomással arányos jeleket állítanak elő, amelyeket a következő lépésben jelfeldolgozásnak vetünk alá. Ilyen feldolgozás például az egyes jelek megfelelő arányú összegzése, zengetése vagy szűrése stb. A feldolgozás történhet analóg vagy digitális eszközökkel. A feldolgozott jel az átviteli csatornába kerül, ami lehet vezetékes vagy vezetéknélküli összeköttetés. Egyszerűbb esetekben (pl. távbeszélő-összeköttetés) kifejezett jelfeldolgozásra nincs szükség. A csatornán megérkezett jelet a vevő fogadja és átalakítja azt olymódon, hogy alkalmas legyen a hangszórók illetve fejhallgatók táplálására. Ezek az átalakítók az elektromos jelből hangjelet állítanak elő. A hangszóró ill. hangszórók által keltett hangtér sokban függ a helység teremhangtani tulajdonságaitól is. Természetesen a fejhallgató keltette hang a fülben független ezektől a jellemzőktől. A fenti jelátvitel azonos időben történik, vagyis az eredeti hangtérhez képest a mesterséges téridőben csak igen kis késéssel jelenik meg.

A jelátvitel speciális esete az, amikor a feldolgozott jelet valamelyik hangrögzítőre vezetjük. Ebben az esetben a hanghordozó (pl. hanglemez, kazetta stb.) jut el a fogyasztóhoz, aki tetszése szerinti időpontban hallgathatja meg (lejátszás) a műsort, vagyis az eredeti hangtér és a mesterséges hangtér megjelenése között nincs időbeni kötöttség.

Ha a hangtér leképzéséhez csak egy mikrofonnal vesszük a jelet, vagy több mikrofont használunk ugyan, de ezek jeleit összegezzük, akkor egycsatornás, másnéven mono összeköttetést valósítunk meg. Természetesen az egy jelből reprodukált hangtérben semmiféle irányfelismerésre nincs lehetőség. A meghallgatott műsorban megszólaló összes hangforrás csak az egy hangszóró irányából lesz hallható.

A térérzet kialakításához a hangtérből legalább két független, jól megválasztott jelet kell venni, és azokat külön csatornákon továbbítani. Ez a 60-as években bevezetett, és azóta széleskörben elterjedt sztereo rendszer, amelyet kidolgoztak az URH rádiózásra, valamint a különféle hangrögzítő megoldásokra is. A legjobb térérzet úgy alakul ki, ha a műsor lejátszásakor, illetve meghallgatásakor a két hangszóró és a hallgató egy egyenlőoldalú háromszög csúcsait alkotják (lásd ábra).

A hangtér előállításának módozatai

Ugyanezen ábrasoron tüntettük fel a legjobb térérzetet keltő négycsatornás, úgynevezett kvadrofon elrendezést is. Itt a hallgatóság a négyzet sarkaiban elhelyezett hangszórók által keltett tér belsejében foglal helyet. A legjobb térhatás a négyzet középpontjában jelentkezik. Ezt a rendszert a 70-es években dolgozták ki, de pénzügyi okok miatt széles körben nem terjedt el.

Az átvitel fajtái, minőségi követelmények

A mesterséges hangterek, amint azt az előző pontban láttuk, különbözhetnek az átvitt független csatornák számában. Emellett nagy különbségek lehetnek az átvitt jel frekvenciatartományában, dinamikájában, a megengedett jel-zaj arányában és a torzítás mértékében is. Egy rendszer frekvenciatartományát azon frekvenciák határolják, ahol 3 dB jelszintcsökkenés lép fel a középfrekvenciás átvitelhez képest. A jel-zaj viszony az átvihető hasznos jel és a zaj effektív értékeinek arányát fejezi ki dB-ben. Dinamika a továbbított műsor legerősebb és leghalkabb részleteinek aránya dB-ben. A fentiekből következik, hogy a dinamika a jel-zaj viszony értékénél nagyobb nem lehet. Harmonikus torzításnak a többszörös frekvenciák összteljesítményének és az alaphang teljesítményének az arányát értjük %-ban kifejezve. Az átvitt, és reprodukált hangtér más, ha csak beszédet továbbítunk és más, ha zenei anyagot kell előállítani. A legszerényebb igényeket a beszédátvitel minőségével szemben támasztjuk. Az úgynevezett Hi-Fi minőség alkalmas zenei műsorok megfelelő színvonalú reprodukálására. Ezen minőségi jellemzőket először a német DIN 45 500 szabványban fogalmazták meg. Legmagasabb műszaki színvonalat az úgynevezett stúdió minőség jelenti, amelyet azonban csak a TV és rádióstúdiók költséges berendezései, valamint a nemrégiben közszükségleti célokra is kifejlesztett digitális készülékek teljesítenek.

Távbeszélő-rendszerekben a beszéd érthető átvitele a cél lehetőleg gazdaságos módon. A beszédjel komponensei néhány száz Hz-től kezdődően 4-5 kHz-ig vannak jelen. A vizsgálatok szerint a jó beszédérthetőség már 3000 Hz felső határfrekvenciával megvalósítható. A beszélő személyének felismeréséhez ennél valamivel nagyobb frekvenciák is szükségesek, ezért a távbeszélő-technikában a 300-3400 Hz-ig terjedő sávot szabványosították. A kívánatos jel-zaj viszony is igen szerény, kb. 20-25 dB, a megengedett torzítás pedig 5-10 %. A nagytömegben gyártott olcsó szénmikrofonokkal és mágneses fejhallgatókkal elérhető szerényebb sávszélesség, dinamika és torzítás eleget tesz a távbeszélő-előírásoknak.

Közép- és rövidhullámú amplitúdomodulált (AM) rádióadásokban már zenei műsorokat is továbbítunk. A továbbított jel paraméterei valamivel jobbak. A frekvenciasáv felső határa 4.5 kHz-ig terjedhet, a jel-zaj viszony elérheti a 40 dB-t is. A frekvenciahatár növelése az adóállomások 9 kHz-enkénti frekvenciakiosztása miatt nem lehetséges. Ezekkel a paraméterekkel jó minőségű beszéd valósítható meg, ugyanakkor a zenei átvitel minősége gyenge. Távoli, kis térerősségű adók vételénél előfordul, hogy a jel-zaj viszony úgy leromlik, hogy már a beszéd érthetősége sem lesz kielégítő.

Egészen más a helyzet az ultrarövidhullámú frekvenciasávokban, ahol az adóállomások 250 kHz-enként helyezkednek el. A jeltovábbításra pedig a kevésbé zavarérzékeny frekvenciamodulációt (FM) használjuk. A rendszer paraméterei jó minőségű zenei anyag reprodukálását is lehetővé teszik. Az átvitel frekvenciatartománya 50 Hz-15 kHz-ig terjed, a jel-zaj viszony meghaladhatja a 60 dB-t és a torzítás 0.1 %-os szinten tartható.

Már a 60-as években kifejlesztették és azóta általánosan elterjedt az FM adások sztereo változata. Két, egymástól független jelet továbbítanak a monoval hasonló minőségben. A két jel közötti áthallási csillapítás mintegy 40 dB, amivel jó térhatás valósítható meg. A sztereo rendszer hátránya a monohoz képest a nagyobb zavarérzékenység.

A 70-es évek kvadrofon átvitel kísérleti adásait is az URH sávokon végezték. A meghallgatások eredményei azt mutatták, hogy a kvadrofon hangtérben a hangforrások lokalizálása minden irányban nagyon jó.

A méteres (VHF) és deciméteres (UHF) hullámsávokon működő TV adások kísérő hangjának paraméterei megegyeznek a mono adások jellemzőivel.

A 80-as évek végétől egyre inkább elterjedőben vannak a műholdas TV adások is. Ezek a műsorok rendszerint több kísérőhanggal együtt kerülnek kisugárzásra. A kísérőhangok kombinációja többféle lehet. Ilyen lehetőség például a mono hang valamint ugyanezen hang két sztereo csatornája külön-külön, vagy a többnyelvű adások önálló csatornái. Ezek mellett még gyakran a TV-től független sztereo rádióadásokat is találunk ugyanitt.

A fenti hangátviteli rendszerek után tekintsük át a hangrögzítési eljárások jellemzőit is. Ezek közül legrégebben ismert a mechanikai hangrögzítés, amely a kezdetektől nagy változásokon ment át, mindaddig, amíg kialakult a jelenlegi változata. A mostani hanglemezeken rögzített frekvenciasáv 40 Hz-16 kHz-ig terjed, a jel-zaj viszony eléri az 50-60 dB-t és a harmonikus torzítás 1 % körüli. A rögzítés két csatornán történik, amelyek között az áthallási csillapítás 20 dB.

Az analóg mágneses hangrögzítők igen népes családot alkotnak. Ezek minősége a csak beszéd rögzítésére alkalmas diktafonoktól kezdve egészen a sokcsatornás stúdióberendezések által elérhető minőségig terjed. Jelenleg a jó minőségű, közszükségleti kazettás magnók paraméterei megközelítik a lemezjátszókét. Az átlagos videomagnók kísérő hangja az alacsony szalagsebesség miatt nem éri el a kazettás készülékek minőségét, felső frekvenciahatára kb. 8 kHz. Az úgynevezett Hi-Fi hangú videomagnók két hangcsatornát képesek rögzíteni 40 Hz-16 kHz-es sávban, 70 dB jel-zaj viszony mellett.

A digitális lézerlemezjátszó (CD) 16 bites felbontásával, 44.1 kHz-es mintavételi frekvenciájával képes a 10 Hz-20 kHz-es sávban, 96 dB jel-zaj viszony mellett két független hangcsatornát reprodukálni. A harmonikus torzítás maximum 0.005 %. A lézerlemezjátszóval kiváló minőségű sztereo hangteret lehet előállítani.

A közszükségleti digitális hangmagnó (R-DAT) 12 és 16 bites felbontással, valamint 32, 44.1 és 48 kHz mintavételi frekvenciákkal dolgozik. A 40 kHz feletti mitavételezéssel a CD minőségét képes teljesíteni, míg 32 kHz-en és 12 bites felbontással a határfrekvencia 14 kHz-re, a jel-zaj pedig 88 dB-re csökken. Ez a minőség még mindig elég jó, ugyanakkor kétszeres játékidőre nyújt lehetőséget.

Legújabban megjelentek a CD minőségű, műholdas, digitális rádióadások (Digital Satellite Radio) is. A rendszer különlegessége az, hogy a digitális hanginformáció mellett hasznos kisegítő adatokat is továbbít. A segédkódok alapján a hallgató a különböző műsorfajták (pl. hírek, tánczene stb.) szerint választhatja ki az adókat.

Összefoglalva az eddigieket, megállapíthatjuk, hogy a távbeszélő-összeköttetések csak beszédátvitelre alkalmasak. Az AM rádiók és a videomagnók már jobbak, de még nem alkalmasak jó minőségű zenei anyag reprodukálására. A Hi-Fi minőségre az URH rádióadások, a TV kísérőhangok, a Hi-Fi hangú videomagnók, a jó minőségű kazettás magnók és a hanglemezek meghallgatásakor lehet számítani. A stúdió minőséget a professzionális berendezések és a közszükségleti digitális hangrögzítők (CD és R-DAT), valamint a digitális műholdas rádiók (DSR) érik el. A felosztást nem tekinthetjük véglegesnek, hiszen a készülékek rohamos fejlődésével a továbbiakban is számolnunk kell.

Elekroakusztikai átalakítók

Az elektroakusztikai átalakítók olyan eszközök, amelyek az elektromos energiát hangenergiává, a hangenergiát pedig elektromos energiává alakítják át. Az átalakítás két lépésben történik. Az első lépésben az elektromos energiát alakítjuk mechanikai energiává. Ennek a folyamatnak az eszköze a valamilyen elektromos vagy mágneses erőhatáson alapuló elektromechanikai átalakító. Az átalakító szerves része egy mechanikai rezgőrendszer, amihez mereven kapcsolódik a nagyfelületű membrán. A mechanikai mozgási energiát ez a membrán továbbítja a légtérbe, olymódon, hogy a membrán mozgásba hozza a levegő részecskéit, és az energia hanghullámok formájában tovaterjed. Inverz működés esetén a fenti folyamat fordítva zajlik le, vagyis a beérkező hanghullámok mozgásba hozzák az átalakító mechanikai rendszerét, majd a mozgással arányos jelet kapunk az átalakító elektromos oldalán. Egyes átalakítókban a membrán és a mechanikai lengőrendszer nem különíthető el.

Az átalakítók egy része vezérléses elven működik. Ez annyit jelent, hogy például a mechanikai energiával egy külső energiaforrás által leadott energiát befolyásoljuk. A vezérelt energia lényegesen nagyobb is lehet mint a vezérlőjel energiája, ezért ezeket aktív átalakítóknak is szokás nevezni. Ilyen eszköz például a távbeszélők szénmikrofonja.

Az alábbi elektromechanikai átalakítókat használjuk a leggyakrabban:

Elektromágneses átalakító. Állandómágnesből, lágyvas saruból, gerjesztőtekercsből, membránból és feszítőrugóból áll. Nyugalmi helyzetben az állandómágnes keltette húzóerő és a rugóerő vannak egyensúlyban. A nyugalmi légrésméret s/2. Ha a tekercsen áram folyik át, ami növeli a mágneskör fluxusát, akkor a húzóerő megnő, a légrés pedig lecsökken. Ellentétes irányú áram csökkenti a húzóerőt, ezért a horgony eltávolodik. A jól méretezett átalakítóban a tekercs áramával arányos lesz a horgony nyugalmi helyzetéből való elmozdulása. Fordított működésnél a hangnyomás keltette eredő erő elmozdítja a horgonyt. Az elmozdulás irányának megfelelően a fluxusváltozás feszültséget indukál a tekercsben.

Elektrodinamikus átalakító. Állandó méretű légréssel rendelkezik. A légrésben mágnestér van, amelyben mozog egy áramvezető. Az áramvezető végei között feszültség indukálódik, ami arányos a légrésindukcióval, az áramvezető hosszával és a sebességgel. Ilymódon képes a mozgási energiát elektromossá alakítani. Ha árammal tápláljuk ezt a vezetőt, akkor ugyancsak az indukcióval, az áramvezető hosszával, valamint az árammal arányos erőhatás lép fel. A gyakorlati megvalósítás során nem egyetlen szál vezetőt, hanem egy úgynevezett lengőtekercset használunk, amelynek a teljes huzalhossza részt vesz az átalakításban.

Az elektromágneses átalakító	Az elektrodinamikus átalakító

felépítése felépítése

Elektrosztatikus átalakító. Lényegében egy merev és egy mozgatható elektródájú kondenzátor. A mozgatható elektróda vékony fémfóliából készül, amely egyúttal az átalakító membránja is. A másik vastag fémanyagból készül, szokásos elnevezése ellenelektróda. Az átalakító lineáris működéséhez szükség van egy egyenfeszültségű telepre, amely egy nagyértékű R ellenállással sorban kapcsolódik az elektródákra. Az elektrosztatikus erő a vékony membránt az ellenelektródához vonzza.

Az elektrosztatikus átalakító elvi működése

Mivel a membrán szélei rögzítettek a fólia deformálódik. Járulékos feszültség hatására a sztatikus vonzóerő az előjeltől függően nő vagy csökken. Ezáltal a membrán mozgásba jön, mivel jobban vagy kevésbé deformálódik. Ha hangnyomás éri a membránt, akkor az ismét jobban vagy kevésbé deformálódik. A méretváltozás eredményeképpen nő vagy csökken a kapacitás. Gyors változások közben a kondenzátor töltése nem tud megváltozni, ezért a feszültsége változik meg. A feszültségeltérés az ellenálláson jelenik meg.

Piezoelektromos átalakító. Egyes anyagok szerkezete olyan, hogy mechanikai deformáció hatására a felületükön elektromos töltések jelennek meg. Fordított esetben az anyagra kapcsolt térerőtől függő deformáció jelentkezik. Ezt a piezoelektromos hatást használják fel mechanikai rezgések elektromos rezgésekké való átalakítására.

Mikrofon típusok

Az előzőekben láttuk, hogy a hangjelek milyen széles választékát kell továbbítani, illetve rögzíteni. Ennek megfelelően sokféle, különböző típusú és minőségű mikrofonokat használunk a hangvétel céljaira. A mikrofonok jellemzésére az érzékenységet, az érzékenység frekvenciamenetét és az iránykarakterisztikát szokás megadni. Az érzékenység az egységnyi hangnyomás hatására leadott feszültséget jelenti. A frekvenciamenet az érzékenység frekvenciafüggését jelenti. Az iránykarakterisztika a beérkező hanghullámok irányától való érzékenységfüggést fejezi ki. Ez lehet zárt, vagy más néven gömbkarakterisztikájú mikrofon. A gradiensmikrofon nyitott, membránja mindkét oldalára hat a hangnyomás, ezért oldalirányból teljesen érzéketlen, a főirányokból pedig maximális, de ellenkező előjelű az érzékenysége. Az úgynevezett kardioid karakterisztika főirányban maximális, és ez folyamatosan zérusra csökken.

Szokásos mikrofon-iránykarakterisztikák

A távbeszélő-készülékekben nagy tömegben gyártott, olcsó szénmikrofonokat használunk. Elvileg ez egy egyenáramú feszültségforrásra kapcsolt változó ellenállás. Az ellenállásváltozás a membránra jutó hangnyomás hatására lép fel. A középen elhelyezkedő laza szemcséjű szénporhoz két, aranyozott elektróda érintkezik. Az alsó elektróda szigetelten a fémházhoz van erősítve, míg a felső a membránnal együtt mozog. A szénszemcsék közötti átmeneti ellenállás a mozgás ütemében fog változni. Az ellenállás a kitérésnek nem lineáris függvénye, ezért a mikrofon torzítása elég nagy. Széleskörű elterjedését az aktív, nagy jelet eredményező működésének köszönheti. Napjainkban az elektronikus készülékek megjelenésével jelentősége csökkenőben van.

Stúdió- és közszükségleti célokra egyaránt gyakran készítenek dinamikus átalakítóval működő mikrofonokat. Felépítése az ábrán látható.

A szénmikrofon felépítése	A dinamikus mikrofon

Az állandó mágneskör légrésébe helyezett lengőtekercs kivezetésein jelenik meg az indukált feszültség. A tekercs a membránnal együtt mozog, a hangnyomásnak megfelelően. A mágneskör és a membrán a mikrofonházban helyezkedik el, amelyet elölről védőrács zár le. A zárt ház megnyitásával, a rácsméret alkalmas megválasztásával és még járulékos akusztikus elemek beiktatásával szálessávú, tetszőleges iránykarakterisztikájú mikrofon alakítható ki.

A stúdió- és méréstechnika eszköze a kondenzátormikrofon. Hengeres fémház belsejében helyezkedik el szigetelten a tárcsaalakú ellenelektróda. A fémház végén kifeszített fémmembrán és az ellenelektróda közötti távolság 0.01 mm nagyságrendű. A mikrofont egyenfeszültségre kapcsoljuk egy igen nagy ellenálláson keresztül. A mozgó, kifeszített membrán okozta kapacitásváltozással arányos váltófeszültség jelenik meg az ellenálláson, amit kiszajú, nagy bemeneti ellenállású előerősítőre vezetünk. A pontos, precíz elkészítéssel, a stabil előfeszültséggel elérhető, hogy a hitelesített érzékenység hosszú ideig állandó legyen.

A kondenzátormikrofon	A kristálymikrofon

Közszükségleti célokra használatos a kristálymikrofon. A szokásos felépítés szerint a mikrofonházba rögzített bimorf kristályt a másik végéhez kapcsolt membrán mozgása fogja meghajlítani. A bimorf elem tagjai ellentétes feszültséget produkálnak, amelyek egyszerűen összegezhetőek. Mivel nagy a belső ellenállás, ezért a leadott jelet nagy bemeneti ellenállású erősítővel kell erősíteni.

Hangszórók

A mesterséges hangtér előállításának utolsó lépése az elektromos energia hangenergiává alakítása. Ennek legfontosabb eszköze a hangszóró. A mikrofonokhoz hasonlóan a hangszórók is különféle kivitelben készülnek.

Legnagyobb példányszámban az úgynevezett dinamikus hangszóró van forgalomban. Az állandó mágneses mágneskör légrésében található a lengőcséve, ami a kúpos membránhoz csatlakozik. A membrán tengelyirányú mozgását a külső és a belső megfogások (rim, pille) biztosítják. A mágneskörhöz rögzített kosár tartja a rimet, és a hajlékony tekercskivezetések is a kosáron végződnek. A kivezetéseken a tekercsbe áramot bocsátunk. Az áram és a mágnestér kölcsönhatásaként tengelyirányú erő keletkezik. Az erő mozgásba hozza a nagy felületű membránt és ezáltal hanghullámokat kelt. Kisebb minőségi igényekre (pl. AM rádióvétel) elegendő egy hangszóró. A teljes hangfrekvenciás sávot több - két vagy három - különböző frekvenciasávra tervezett hangszóróval lehet lesugározni.

A dinamikus hangszóró

A lesugárzás hatásfokát akusztikus illesztéssel lehet javítani. Ilyen eszköz például az exponenciálisan növekvő keresztmetszetű tölcsér. Az átalakítót a tölcsér toroknyílásába helyezik. Hátránya, hogy a kisfrekvenciák átvitelére is alkamas tölcsér igen nagyméretű, ezért csak kisebb igényű térhangosításra használatos.

Érdekességként említjük meg, hogy viszonylag ritkán, de készítenek kondenzátor hangszórót is. A mélyhangok lesugárzásához nagy felület, a nyugalmi térerő kialakításához külön nagyfeszültségű tápegység és speciális illesztőtranszformátor szükséges. Az ilyen felépítésű eszköz kistorzítású, egyenletes frekvenciamenettel rendelkezik, ára miatt azonban nem versenyképes.

Fejhallgatók

A fejhallgatók speciális, csak a fülre korlátozódó hangteret állítanak elő. Nagy darabszámban használatos a távbeszélő-készülékekben a mágneses hallgató. Ennek egy egyszerű, forgásszimmetrikus változatát ismertetjük az ábrán. A mágneskör légrése szándékosan nagy, ezért a mágneses erővonalak a mozgó horgonyon keresztül záródnak. A lágyvas horgonyt a rugalmas membrán tartja. A tekercs áramával gerjesztett tér növeli vagy csökkenti az állandó teret, így a horgony a nyugalmi helyzetéhez képest elmozdul. Ez a mozgás a fül zárt üregében nyomásváltozást produkál. Gyártáskor ügyelni kell a megfelelő légrésméret beállítására.

A mágneses fejhallgató

Közszükségleti célokra leggyakrabban dinamikus hallgatókat gyártanak. Ezek felépítése olyan, mint egy lekicsinyített dinamikus hangszóró. A kis méretekkel megvalósítható a szélessávú átvitel.

Irodalomjegyzék:

[1] Valkó Iván Péter: Az elektroakusztika alapjai. Akadémiai Kiadó, 1963.

[2] Ivar Veit: Műszaki akusztika. Műszaki Könyvkiadó, 1977.

[3] Tarnóczy Tamás: Teremakusztika I. Akadémiai Kiadó, 1986.

[4] Ferenczy Pál: Hírközléselmélet. Tankönyvkiadó, 1974.

Rövidítések:

Granát János: Akusztikai alapok című fejezet (43-56 old.) a Hiradástechnika könyvben.
Főszerkesztő: Géher Károly
Műszaki Könyvkiadó. Budapest, 2000 (Második kiadás)