Страница 2 из 30 Первая 123412 ... Последняя
Показано с 21 по 40 из 586

Тема: Предусилители электретных микрофонов для работы с повышенными уровнями звуковой мощности.

  1. #1 Показать/скрыть первое сообщение.
    Старый знакомый
    Автор темы
    Аватар для semimat
    Регистрация
    06.03.2014
    Адрес
    Москва
    Сообщений
    856

    По умолчанию Предусилители электретных микрофонов для работы с повышенными уровнями звуковой мощности.

    В теме дается обзор схемотехнических решений, повышающих перегрузочную способность электретных микрофонов по допустимому звуковому давлению (SPL), и предлагается для опробования простая, но эффективная и неприхотливая схема предусилителя, снижающая (в симулировании) нелинейные искажения его электрической части до значений 0,003% и менее при амплитудном значении сигнала на затворе встроенного полевого транзистора до 6 Вольт (что формально соответствует более 140 дБ акустической мощности для типового электретного капсюля).
    Те, кто знаком с вопросом, могут перейти во второй раздел к описанию самой схемы, а для новичков в первой части поясняется суть проблемы и рассмотрены технические варианты ее решения, предлагавшиеся в период с 2005 года до настоящего времени. Проблема пока полностью не решена, поэтому материал будет полезен тем, кто хочет подключиться к ее решению.
    Я благодарен участникам форума: Alickkk, Andey Orloff, Bobby_ii, Carbon, Dzymytch, Fenyx, Kamikaze, mAxSpace, Mr-marlen, Nota Bene, Olvicgor и всем другим, кто в ветках: «выбираем измерительный микрофон» и «пред для электретного микрофона» рассказывали о своих изысканиях в данном вопросе, а также проделали колоссальную работу по поиску ценной информации из всевозможных источников и щедро делились ей в своих постах. Именно оттуда взяты все ссылки.

    Первая часть. Суть проблемы.

    Современные электретные микрофонные капсюли можно считать уникальными изделиями по соотношению цена/качество. Благодаря этому микрофоны на их основе вытеснили другие типы микрофонов почти во всех сферах применения.
    Тем не менее, у распространенных моделей капсюлей есть одно «слабое место»: встроенный в них полевой транзистор, работающий по схеме с общим истоком (ОИ), при типовом включении имеет «классическую» квадратичную вольтамперную характеристику (ВАХ), изображенную на рис. 1 .
    Рис.1. Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	2SK3372ВАХ.png 
Просмотров:	1862 
Размер:	13.3 Кб 
ID:	207911

    Естественно, такая квадратичная нелинейность незаметна лишь при небольших уровнях входных сигналов. Однако с увеличением входного напряжения неизбежно происходит рост нелинейных искажений вплоть до недопустимых значений.
    Для электретных микрофонов верхнюю границу акустического динамического диапазона условно принято определять величиной, при которой искажения достигают 0.5% (http://www.sengpielaudio.com/calcula...sferfactor.htm). У распространенных моделей капсюлей она обычно ограничена значением 100 дБ именно из-за квадратичности ВАХ. Тем не менее, это всех устраивает, поскольку в большинстве применений такие искажения вполне допустимы, а уровни в 100 дБ встречаются не часто. Поэтому производители капсюлей не заморачиваются проблемой устранения квадратичной нелинейности, тем более, что она немного нейтрализуется внутренней ООС за счет эффекта Миллера.
    Другое дело - измерение искажений высококачественной акустической аппаратуры, например, колонок, у которых они (искажения) иногда не превосходят нескольких десятых долей процента при создаваемых уровнях акустической мощности более 120 дБ. Значит надо иметь измерительный микрофон, дающий при такой громкости на порядок меньшие искажения, чем сам исследуемый объект. Вот тут-то и становится ясно, что электретный капсюль в стандартном включении для этих целей совершенно непригоден. Не поможет здесь и обычный линейный предусилитель - он не только не способен ослабить искажения капсюля (поскольку снимает с него уже искаженный сигнал), он вообще просто войдет в ограничение. Фирменные измерительные микрофоны для таких задач стоят очень дорого, ограничивая массовость подобных измерений, поэтому очень важно найти дешевое решение. Значит, если мы захотим попробовать использовать электретный капсюль, надо попытаться изменить его электрическую схему включения так, чтобы «выпрямить» или «обойти» квадратичность ВАХ полевика.
    Расчеты и эксперименты показали, что компенсация только лишь квадратичности ВАХ способна уменьшить нелинейные искажения в десятки раз. Это дает значительное увеличение верхней границы динамического диапазона капсюля. Сразу предупрежу: как только удается исключить влияние квадратичности и, тем самым, устранить главный источник искажений, обнаруживается, что существуют и другие источники нелинейности, поэтому желательно искать универсальный способ борьбы с ними.
    За последнее десятилетие было предложено несколько подходов к решению проблемы.

    Рассмотрим сначала решения, не требующие внесения изменений в конструкцию капсюля.

    Первое возможное решение состоит в существенном изменении режима работы полевого транзистора, а именно, понижении напряжения на его стоке до величины 0,2…0,3 В. При таких малых напряжениях, как известно, ток стока транзистора может зависеть относительно напряжения на затворе не квадратично, а линейно. Этот режим позволяет снизить КНИ при акустической мощности 100 дБ с 0,5% до примерно 0,05% (#151 и http://www.ant-audio.co.uk/Theory/Parametric_Rus2.htm). Но теперь уже при мощности 120 дБ искажения все равно увеличиваются до 0,2….0,5% . И, увы, крутизна транзистора в этом режиме намного меньше, что в итоге ухудшает чувствительность схемы.
    Другое решение состоит в замене обычного стокового резистора на элемент, вольтамперная характеристика которого нелинейна таким образом, чтобы компенсировать квадратичную ВАХ полевика. Лучше всего с этим справляется другой полевой транзистор, включенный в сток встроенного полевика (http://www.johncon.com/john/wm61a/ и http://home.comcast.net/~rc1618/WM61A). Причем, второй транзистор не обязательно должен быть идентичен первому! Но, увы, и в этом случае, резкое снижение искажений, получаемое на стандартном уровне мощности в 100 дБ, все равно, отодвигает предельную рабочую границу лишь до 120 дБ.
    Еще одно решение, рассмотренное здесь (#2480 и последующие посты от olvicgor), использует сразу два эффекта. Первый из них: эффект Миллера - это фактически внутренняя отрицательная обратная связь (ООС) транзистора за счет паразитной емкости сток-затвор, которая способствует снижению искажений. Второй эффект - это зависимость крутизны полевика от напряжения на его стоке, способная при удачном выборе режима, компенсировать основную нелинейность в ограниченном диапазоне звуковых мощностей. К тому же этот метод может в некоторой степени устранить не только искажения электрической части микрофона, но и скомпенсировать искажения всей связки мембрана - предусилитель.
    Увы, и в последенем случае границу, при которой искажения вырастают до десятых долей процента, удается отодвинуть лишь к 120 дБ. Это значение можно назвать общей границей для работы внутреннего транзистора в режиме ОИ. Чтобы понять причину этого перейдем от акустических дБ к напряжениям на его затворе. Можно показать расчетами, что при стандартном включении, для типичного встроенного в капсюль полевика, искажения в 0,5% за счет квадратичности достигаются уже при амплитуде входного сигнала, равного 10…20 мВ. Рассмотренные выше схемотехнические решения, компенсируя квадратичность, доводят допустимый уровень до 200…300 мВ при искажениях, составляющих в некоторых случаях менее десятой доли процента. Но при дальнейшем увеличении сигнала, искажения начинают стремительно расти в силу множества факторов уже другой природы. Вот лишь некоторые из них. Во-первых, напряжение отсечки встроенного полевика, как правило, составляет 0,3…0,4 В, и при приближении амплитуды сигнала к этому значению, транзистор попросту начинает закрываться, его ток меняется в разы; во-вторых, при этих уровнях сигнала p-n переход транзистора уже нельзя рассматривать как бесконечное сопротивление - он начинает приоткрываться; в-третьих, при таких больших колебаниях напряжений на затворе относительно истока и стока, существенную роль начинают играть нелинейности паразитных емкостей исток-затвор и сток-затвор. Это особенно сказывается из-за малой емкости источника сигнала (≈ 5 пФ).

    Решения, предполагающие внесение изменений в конструкцию капсюля.

    Из приведенных выше соображений следует, что дальнейшее увеличение диапазона допустимых акустических мощностей требует изменения схемы включения полевика, а, следовательно, внесения изменений в капсюль. К счастью, их изготовители в какой-то степени предусмотрели такую возможность. Капсюль конструктивно выполнен так, что исток транзистора легко отсоединить от корпуса (на TouTubе есть даже видеоролик: Linkwitz Mod of WM-61A Condenser Microphone), и, тем самым, возникает возможность использовать разные схемы включения. Впервые такая «операция» была предложена Линквицем (http://www.linkwitzlab.com/sys_test.htm#Mic). Он перевел транзистор в режим истокового повторителя (рис.2).
    Рис.2.Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	linkwitzlab.gif 
Просмотров:	4858 
Размер:	20.7 Кб 
ID:	207898
    Это стало революцией в направлении расширения допустимых входных напряжений. Данная схема при достаточно большом сопротивлении в истоке обеспечивает следующие преимущества (создающие условия для достижения малого КНИ): даже при значительных входных сигналах токовый режим полевика остается почти неизменным; напряжение затвор-исток почти не меняется (что также минимизирует влияние емкости исток-затвор на работу каскада); максимальное напряжение сигнала уже ограничивается не напряжением отсечки, а напряжением питания. Из недостатков можно выделить отсутствие усиления (что ухудшает пороговую чувствительность) и сохранение влияния паразитной емкости затвор-сток (которое можно уменьшить, повышая напряжение питания на стоке).
    Тем не менее, в различных вариациях, в том числе с заменой истокового резистора на источник тока, данная схема позволила в симуляторе получать искажения в сотые доли процента для входных напряжений около 1В при разумных напряжениях питания.
    Еще один вариант схемы включения транзистора промелькнул на форуме в теме "пред для электретного микрофона" (пост #259, Vlad Zhdanov) и, возможно, его также имел в виду другой участник (тема «выбираем измерительный микрофон», пост #1057, ANEK). К сожалению, этот вариант не был доведен до участников форума в более полной проработке, поэтому не получил развития в обсуждениях. Суть его состоит в том, что встроенный транзистор используется в обычном усилительном режиме, когда сигнал снимается со стока, но в исток тоже добавлен некоторый резистор. Хоть этот резистор уже сам по себе снижает искажения каскада, на него дополнительно подается сигнал ООС с выхода предусилителя. Получается типичный, охваченный ООС, УНЧ, в составе которого полевик капсюля выполняет роль входного каскада. Сначала была мысль продолжить этот путь, доведя его до рабочей схемы. Но потом родилось более простое и, как оказалось по результатам моделирования, более эффективное решение, о котором пойдет речь во второй части.

    Вторая часть. Предлагается схема..

    Итак, стало ясно, что при попытке расширить диапазон входных напряжений встроенного полевика до напряжений порядка одного Вольта и более, необходим отказ от схемы с ОИ и использование, как минимум, истокового повторителя с исполнением процедуры разрезания металлизации на задней контактной площадке капсюля. О замене полевика на принципиально другую электронику путем вскрытия капсюля речи не идет - слишком деликатная процедура, чтобы рекомендовать ее для массового повторения.
    Второе, что стало ясно - это необходимость вообще постараться заставить полевик работать так, чтобы все его режимы почти не менялись даже при больших напряжениях сигнала. Тогда, можно ожидать, что и все факторы, приводящие к нелинейностям, одновременно будут минимизированы.
    Один из возможных вариантов схемы, в которой реализованы эти принципы, представлен на рис.3.
    Рис.3.Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	ПУ semimat.png 
Просмотров:	6762 
Размер:	12.2 Кб 
ID:	207899
    Рассмотрим, как в этой схеме реализованы методы стабилизации режимов…
    В первую очередь надо стабилизировать ток полевика. Проще всего это делать истоковым повторителем. Однако обычный резистор в цепи истока должен быть очень большим (более 100 кОм), чтобы рассчитывать на максимальное снижение искажений. Но тогда при типичном токе полевика 0,2…0,4 мА потребуется напряжение питания до 40 Вольт и более. К тому же, схема будет иметь низкую температурную стабильность, поскольку у полевика температурный коэффициент тока составляет примерно 2 мкА/C° (см. температурную зависимость на рис. 1 ). В связи с этим, вместо резистора в цепи истока использована несложная схема на транзисторе Q2, дающая по постоянному току и на частотах ниже 0,25 Гц дифференциальное сопротивление менее 10 кОм, а на частотах выше 20 Гц, наоборот - более 250 кОм. Кроме того, резистор R4 подобран так, что температурный коэффициент тока схемы равен 2 мкА/C°. Таким образом, если конкретный экземпляр полевика будет действительно обладать указанным температурным коэффициентом тока, то каскад окажется стабилизирован в диапазоне температур ‑25...+75 C°.
    Это схемотехническое решение также практически полностью исключает влияние паразитной емкости затвор-исток одновременно и на работу схемы, и на входную емкость каскада, поскольку напряжение на истоке полностью повторяет напряжение на затворе.
    Осталось придумать схемное решение, чтобы и напряжение на стоке повторяло напряжение на затворе: тогда транзистор будет всегда находиться примерно в одном режиме. Для этого можно всего лишь немного изменить типичную цепочку R1-C2-R5 отрицательной обратной связи операционника (с привычной R-R-C на R-C-R) и замкнуть её не на землю, как обычно, а на плюс питания. Теперь, если сток полевика подключить к резистору R1 (в точку b), то задача оказывается решенной. Вот и вся схема… Настраивается она одним резистором R2 так, чтобы напряжение на выходе операционника (точка d) было примерно равно половине питания. Напряжения в точках a и c также автоматически станут равными этому значению.
    Согласующая цепочка R6‑C3‑R7 служит для отсекания постоянной составляющей с выхода операционника и снижения громкости щелчка при «горячем» подключении преда ко входу последующего усилителя, а также для уменьшения влияния емкостной нагрузки в виде длинного выходного соединительного кабеля на работу операционника.

    Чтобы проиллюстрировать способность данной схемы работать с большими уровнями входных сигналов, на рис. 4а представлен ее вариант с двуполярным питанием, где операционник использует +/- 15 В (чтобы не было ограничения по выходу), а основной каскад питается лишь от +/- 6 В. Как видно из моделирования, при амплитуде входного сигнала в 6 В искажения составляют 0,002%. Если же не предвидится таких больших входных сигналов, полное питание этого каскада можно снизить вообще до 6 В.
    Рис.4. а)Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	макс сигн схема.png 
Просмотров:	4407 
Размер:	15.1 Кб 
ID:	207900 б)Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	макс сигн АЧХ.png 
Просмотров:	1569 
Размер:	4.7 Кб 
ID:	207901 в)Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	макс сигн КНИ.png 
Просмотров:	1448 
Размер:	3.8 Кб 
ID:	207902
    На рисунках 3 и 4 были представлены самые простые варианты схемы для знакомства с принципом ее работы и возможностями. На практике еще надо позаботиться о том, чтобы пульсации и шумы источника питания не попали на инвертирующий вход операционника через цепь R1-C2, а затем на его выход. Поэтому в рабочем варианте схемы надо поставить фильтрующую цепочку R8‑C4 (или две), как показано на рис. 5а).
    Рис.5. а)Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	питание 12В схема.png 
Просмотров:	5547 
Размер:	16.0 Кб 
ID:	207904 б)Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	питание 12В АЧХ.png 
Просмотров:	1653 
Размер:	4.7 Кб 
ID:	207905 в)Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	питание 12В КНИ.png 
Просмотров:	1292 
Размер:	3.9 Кб 
ID:	207906
    Также, если операционник в силу своих особенностей дает подъем АЧХ на своих предельных частотах, может быть полезной корректирующая емкость Cк. Как видно из рис. 4б, там имеется небольшой подъем АЧХ на 6 МГц, а в схеме на рис. 5б его уже нет благодаря этой емкости.
    Чтобы другие могли самостоятельно повторить симулирование, я привожу используемую модель полевика (рис. 6). Естественно, могут вызвать вопросы значения некоторых параметров. Я принял их такими на основе анализа разных моделей, использовавшихся участниками форума, усреднив и округлив их (ведь это лишь типовые значения, которые меняются от экземпляра к экземпляру). Некоторые спорные значения, которые приводили к противоречивым результатам (например, не давали правильной величины реального тока транзистора), я заменил на значения по умолчанию для симулятора «Multisim 12» или старался подобрать их так, чтобы такие стандартные характеристики, как напряжение отсечки, начальный ток и удельная крутизна остались соответствовать реальности, определяемой формой графика на рис. 1. Ваше право изменить их.
    Рис.6.Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	спайс.png 
Просмотров:	1520 
Размер:	13.8 Кб 
ID:	207907
    В заключение сделаю несколько итоговых замечаний по представленному материалу.
    1. Предолженная схема преда нужна для работы с большими уровнями звуковых мощностей, которые используются в некоторых акустических измерениях. Пороговая чувствительность у неё несколько хуже, чем у обычных схем предусилителей, поскольку внутренний полевой транзистор используется в режиме истокового повторителя, а не как усилитель напряжения. Поэтому, чем более малошумящий ОУ вы используете, тем шумы будут меньше. Я рекомендую ОУ с биполярными транзисторами на входе, схема это допускает, а шумы напряжения у них меньше. Надо только, чтобы токовые входные шумы не превосходили 2…3 пА/√Гц. Например, AD8671, он очень дешевый и имеет шумы напряжения 2,8 нВ/√Гц, в этом случае ухудшения по шумах практически не произойдет. Моделирование на нем (как видно из рисунков) дает отличные результаты.
    2. Пред не устраняет искажения, возникающие из-за акусто-механических нелинейностей мембраны капсюля. Я рассчитываю, лишь на минимизацию электрических искажений до уровня, когда они становятся пренебрежимо малы по сравнению с мембранными, что позволит подойти к вопросу изучения этих искажений.
    3. Лучше всего использовать данную схему совместно с капсюлем WM-61. У него маленький диаметр, благодаря чему он обладает широким частотным диапазоном и одновременно уже сам по себе допускает повышенные входные уровни акустической мощности по сравнению с капсюлями большего диаметра.
    4. Снова повторю: чтобы исключить проникновение пульсаций источника питания надо хорошо зафильтровать напряжение в точке подключения R1 к источнику. Питание операционника этого не требует.
    5. При симулировании схемы с вариацией параметров в очень широких пределах иногда может наблюдаться интересный эффект - небольшой подъем АЧХ на частоте около 1 Гц. Он легко устраняется изменением номиналов любого из конденсаторов С1 в пределах 10…20 мкФ или С2 в пределах 50….100 мкФ. Или снижением емкости C3 так, чтобы частоты ниже 10…20 Гц не проходили на выход.
    6. Верхняя граница рабочих частот схемы в моделировании определяется частотными свойствами операционника. Для современных ОУ она намного шире звукового диапазона. Это может быть недостатком с точки зрения увеличения шумов, если используемая система оцифровки сигнала не имеет хорошего фильтра, отрезающего шумы выше половины частоты дискретизации. И на нормальном осциллографе, конечно, это визуально увеличит шумовую дорожку. Тогда можно дополнить схему еще одним каскадом-фильтром.
    7. Лучше всего иметь усиление схемы 6 дБ (при R5=2кОм) или 10 дБ (при R5=4,3кОм). Вряд ли мембрана сможет реально выдать напряжения, которые приводились в моделировании. Поэтому на практике даже с таким усилением выходной сигнал будет не больше 5 Вольт амплитуды. Если операционник запитать напряжением 15 Вольт (или +/- 9…12 В при двуполярном питании), то он без проблем выдаст такой сигнал в нагрузку. Зато это позволит использовать меньшее усиление в звуковой карте и, тем самым, уменьшить ее собственную шумовую дорожку. Использование коэффициента усиления, равного единице (при R5=0), снижает требования по борьбе с пульсациями питания, но в симуляторе несколько увеличивает искажения на больших уровнях. В этом случае надо также внимательно смотреть, допускает ли ваш операционник работу на нагрузку 2 кОм. Если нет, то R1 надо будет соответственно увеличивать.

    Прямо признаюсь, я не проверял эту схему даже в макете, а только моделировал в Мультисиме-12. При моделировании схема оказалась удивительно устойчива к изменению номиналов деталей, параметров модели полевика и операционника. Проверить полученные результаты в «железе» у меня нет ни возможности, ни времени (я не связан с акустикой, мне просто интересно было «решить задачку»). Но как же после этих трудов все-таки хочется сравнить теорию с реальностью! Поэтому я очень заинтересован, если бы кто‑то это воплотил в жизнь.

    В общем, друзья, все кто хочет и может поэкспериментировать со схемой, пожалуйста, расскажите, как она у вас заработала, на каких операционниках, какие были проблемы. В случае успеха будет здорово, если вы поделитесь с другими конструкцией и разводкой платы. Обратите внимание, как она будет работать на длинный кабель с большой емкостью. Ведь не все операционники способны устойчиво работать на емкостную нагрузку. В этом случае может понадобиться еще буферный каскад. Может также оказаться, что в реальности существуют неожиданные проблемы, и вы придумаете, как усовершенствовать схему, чтобы устранить их.

    P.S. Пока писались последние строки и проходило финальное обсуждение идеи обратной связи по стоку, появились посты, где люди стали делиться своими практическими наработками именно в этом вопросе. Даю ссылку уже на опробованное решение #2696 . Радует, что процесс пошел!
    Последний раз редактировалось semimat; 22.04.2014 в 00:05. Причина: опечатка

  2. #21
    Старый знакомый Аватар для Bobby_ii
    Регистрация
    16.03.2011
    Адрес
    Spb
    Сообщений
    822

    По умолчанию Re: Предусилители электретных микрофонов для работы с повышенными уровнями звуковой мощности.

    Цитата Сообщение от Dzymytch Посмотреть сообщение
    Из бумаги вырезал конусообразную полосочку и легонечько сунул её в дырочку до тех, пока упералась. Затем аккуратно загабал полоску и в месте перегиба иэмерял диаметр. По другому там замерить у меня не вышло.
    У меня по иголке получилось меньше(скорее всего, 0,6 - но в микрометре иголку начинает "катать" и она выкатывается из губок - микрометром где-то 0.5, штангелем - ближе к 0.6). Скорее всего потому, что бумага пружинит. Мерил зубочисткой - суешь - она принимает форму отверстия - меришь диаметр - тоже получалось больше.
    Насколько существенен диаметр отверстий для искажений? Надо его точно? т.е. искать иголку/сверло/проволочку, которая только-только?

    Цитата Сообщение от Dzymytch Посмотреть сообщение
    Их можно даже вбить а excel
    ?????? С мат. пакетами не знаком, потому Вольфрам мне вряд-ли поможет.

    Цитата Сообщение от Dzymytch Посмотреть сообщение
    Все формулы имеются в прилагаемом файле от BK.
    Он по-англицки и прочитать его /разобраться быстро не получится. А если выложите - может кто-нить в спайс-модель их засунет.

  3. #22
    Старый знакомый Аватар для Dzymytch
    Регистрация
    01.01.2006
    Адрес
    Вильнюс
    Возраст
    38
    Сообщений
    535

    По умолчанию Re: Предусилители электретных микрофонов для работы с повышенными уровнями звуковой мощности.

    Вообщем,
    выкладываю фаил
    Если кто не поленится- поиграйтесь. Весьма познавательно (поскольку писал для себя-любимого, то, возможно, потребуются пояснения).

    Bobby_ii, тебе(со мной можно и на ты Ж)) ничего там делать не придется, кроме как самому поменять выборочно желаемые параметры и затем нажать shit+enter. Компутер все пересчитает. Тебе нужен только сам Вольфрам.



    П.С. кстати, сейчас только додумался, в B&K модели не учитывается диэлектрическая постоянная электретной пленки(так как ее попросту в их конденсаторах нету), что на[одится в зазоре. Потому значения активной емкости должны получаться несколько меньшими, чем на самом деле. Очевидно, что чем толще электрет, тем больший его "относительный вклад относительно прослойки" воздуха. Отсюда вытекает, что надо еще знать и толщину электрета в зазоре, для полностью корректного расчета(в том файле, что выложил выше- это не учитывается).

    И, кстати, диэлектрик в воздушном зазоре капсюля электретов может являться, по сути, дополнительным источником КНИ (диэлектрическая абсорбция, потери в tg(delta) диэлектрике).

    пардон, воздушный зазор d2 не 27, 23 мм !
    Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	wm61membrana.JPG 
Просмотров:	611 
Размер:	33.6 Кб 
ID:	216558
    Последний раз редактировалось Dzymytch; 01.09.2014 в 22:59.
    Понимание некоторых тенденций не освобождает от знания многих фактов

  4. #23
    Старый знакомый
    Автор темы
    Аватар для semimat
    Регистрация
    06.03.2014
    Адрес
    Москва
    Сообщений
    856

    По умолчанию Re: Предусилители электретных микрофонов для работы с повышенными уровнями звуковой мощности.

    Цитата Сообщение от Dzymytch Посмотреть сообщение
    П.С. кстати, сейчас только додумался, в B&K модели не учитывается диэлектрическая постоянная электретной пленки(так как ее попросту в их конденсаторах нету), что на[одится в зазоре. Потому значения активной емкости должны получаться несколько меньшими, чем на самом деле. Очевидно, что чем толще электрет, тем больший его "относительный вклад относительно прослойки" воздуха. Отсюда вытекает, что надо еще знать и толщину электрета в зазоре, для полностью корректного расчета(в том файле, что выложил выше- это не учитывается).

    И, кстати, диэлектрик в воздушном зазоре капсюля электретов может являться, по сути, дополнительным источником КНИ (диэлектрическая абсорбция, потери в tg(delta) диэлектрике).
    Это важное уточнение. Такой подход был сделан в нарытом тобой файле Harmonic distortion in electret microphones.pdf из поста #3175 . Но все-таки у нас мало данных о диэлектрических проницаемостях пленок. Я предлагаю попробовать учесть их влияние с помощью некоторого эквивалентного конденсатора, включенного последовательно с активной емкостью мембраны (поскольку электрически этот "сэндвич" состоит из последовательно включенных диэлектрических слоев, представляющих собой конденсаторы).

    Чтобы не "застрять" на пути движения к цели и не "закопаться" во второстепенных вопросах надо иногда смотреть на задачу более широко. Это позволит найти лучший путь.

    Посмотрим, что мы имеем на настоящий момент из "ключевых" результатов. Я вижу их такими:
    1. Теоретически определено и практически подтвердилось, что в диапазоне до 130 дБ SPL наибольший вклад в THD с большим отрывом дает К2.
    2. Теоретически определено и практически подтвердилось, что в диапазоне до 130 дБ SPL нормированное значение К2 растет линейно с величиной SPL.
    -Важнейший вывод из этих двух результатов состоит в том, что суммарная передаточная функция преобразователя, при её разложении в степенной ряд в диапазоне уровней до 130 дБ, может быть достаточно точно описана лишь линейным и квадратичным членами. И коэффициент при квадратичном члене может быть оценен теоретически или же измерен экспериментально.
    3. Экспериментально обнаружена частотная зависимость К2 и К3, проявляющаяся на частотах выше 5...7 кГц для WM61. С этих частот начинается заметное снижение К2 с увеличением частоты.
    -Этот результат требует осмысления. Я пока объясняю его на основе того же bv0048.pdf тем, что там есть две модели искажений: для частот ниже 0,2...0,5*Fрезонансн и для оставшегося частотного диапазона. Они дают разные функции зависимостей К2 и К3. Понимаю, что в статье речь идет о конденсаторных микрофонах с очень жесткой мембраной. Но возможно что-то аналогичное есть и в электретном микрофоне: при переходе от низких частот к более высоким происходит плавный переход от модели параболического прогиба, дающего бОльшие искажения, к модели плоского смещения, для которой искажения меньше.
    К сожалению, у нас нет аналитической функции зависимости искажений от частоты, и это самое плохое.
    И боюсь, что мы её не выведем, а если выведем, то много ли нам это даст.

    Теперь хорошо бы определить все возможные варианты снижения искажений, возникающих в преобразователе и оценить их плюсы и минусы, имея в виду, что мы стремимся создать дешевый, легкий для повторения микрофон.
    1. Можно искать замену WM-61 с предположительно меньшими мембранными искажениями. Но мне кажется, что среди дешевых капсюлей такую замену найти трудно. Вот почему:
    - во-первых, в дешевых капсюлях искажения определяются не мембраной, а полевиком. Это значит, что производителям нет необходимости заботиться о величине мембранных искажений - они все равно меньше искажений полевика;
    - во-вторых, мне кажется, что современные капсюли диаметром 6 мм уже обеспечивают звуковой диапазон до 20000 кГц, и уменьшать диаметр мембраны дальше не имеет смысла (это уменьшает искажения, расширяет частотный диапазон, но снижает чувствительность). Надо, наоборот, увеличивать чувствительность микрофонов, так как в подавляющем большинстве сфер применения дешевых микрофонов мы имеем дело с SPL, не превосходящем 100 дБ.
    Тем не менее если удастся найти лучшую замену WM-61, дешевую и доступную в настоящее время, то это может только приветствоваться. Но нужны экспериментальные оценки искажений. А для WM-61 этих исследований уже проведено очень много.
    2. Можно внести конструктивные изменения в WM-61. Первое и самое простое уже было сделано 10 лет назад Линквицем. Но оно позволило побороть лишь искажения полевика. Чтобы снизить мембранные искажения нужна более сложная доработка капсюля. Это уже советы для опытных... Я сейчас выскажу два предложения и жду критики.
    Первое предложение.
    В соответствии с предложениями из bv0048.pdf надо постараться подать положительную емкостную ОС прямо на затвор встроенного полевика и компенсировать паразитную емкость преобразователя (создав отрицательную емкость). У B&K использование такой ОС позволило снизить мембранные искажения до 5 раз. Осуществлен это вариант может быть с помощью просверливания со стороны платы (задней стороны капсюля) маленького отверстия, чтобы сквозь него просунуть металлический стержень вплоть до касания заднего электрода (собственно, затвор полевика тоже не припаян, а лишь касается его). И через этот электрод осуществить положительную емкостную ОС.
    Второе предложение.
    Оно требует вскрытия капсюля. Надо закрыть четыре отверстия в заднем электроде и минимизировать воздушную связь между мембранным зазором и объемом за задним электродом, там, где находится полевик. Это резко повысит "жесткость" воздушного зазора, тем самым смещение мембраны при том же SPL станет меньше - уменьшатся и искажения. Минусом этого варианта кроме необходимости вскрытия капсюля является снижение чувствительности преобразователя. В результате динамический диапазон останется тем же, он просто сместится в область бОльших значений SPL. А все-таки хочется именно увеличить динамический диапазон, оставив неизменным нижний порог SPL.
    3. Можно создать предусилитель, компенсирующий мембранные искажения. Плюсами такого подхода могут быть реальное увеличение динамического диапазона, а также отсутствие необходимости серьезных конструктивных изменений капсюля. Минусами могут быть температурная нестабильность компенсации и трудность ее осуществления во всем частотном диапазоне. Но мне кажется это самым перспективным направлением, уже подтвержденным экспериментально.

    Наверное возможны и другие подходы. Было бы здорово, если бы они были озвучены.
    Последний раз редактировалось semimat; 03.09.2014 в 00:16.

  5. #24
    Завсегдатай Аватар для Fenyx
    Регистрация
    21.12.2004
    Адрес
    г.Саратов
    Возраст
    45
    Сообщений
    1,977

    По умолчанию Re: Предусилители электретных микрофонов для работы с повышенными уровнями звуковой мощности.

    Цитата Сообщение от Dzymytch Посмотреть сообщение
    Очевидно, что чем толще электрет, тем больший его "относительный вклад относительно прослойки" воздуха. Отсюда вытекает, что надо еще знать и толщину электрета в зазоре, для полностью корректного расчета(в том файле, что выложил выше- это не учитывается).
    По моему вы блох ловите там, где волков стрелять надо. Толщина электрета приближается к нулю (микрон несколько). Как пишут в вумных книгах "во много раз меньше" воздушного зазора. Отсюда и вклад. Хотя, для точности, можно пошкрябать поверхность электрода и замерить его толщину в месте где электрет есть и где его нет...
    На счет диэлектрических потерь... Я когда-то пытался найти инфу про материал электрета, но нашел только старые данные из книг советского издания - там писалось про фторопласт. Что там лепят буржуи так и не узнал. Но если материал близкий к фторопласту, то на вносимые искажения так же можно забить. Да вспомните бесконечные "конденсаторные" треды - все выбирали какие кондеры более музыкальны, да меньше искажают. Все пленки, которые сейчас для этого применяются имеют низкие диэлектрические потери - и это в конденсаторе, где и площадь велика и полимер занимает ВЕСЬ зазор, а не 1/10-1/100 его. Все они имеют ту или иную способность поляризоваться под действием внешнего поля в расплавленном состоянии. ДУмаю там какой-то из них и напылен.
    Я это к чему. Не отвлекайтесь на побочные малозначимые явления, пока есть не решенные более существенные проблемы. Величина искажений связана ну никак не с материалом электрета.
    Делай хорошо, а хреново и само получится!

  6. #25
    Старый знакомый Аватар для Dzymytch
    Регистрация
    01.01.2006
    Адрес
    Вильнюс
    Возраст
    38
    Сообщений
    535

    По умолчанию Re: Предусилители электретных микрофонов для работы с повышенными уровнями звуковой мощности.

    Цитата Сообщение от semimat Посмотреть сообщение
    В соответствии с предложениями из bv0048.pdf надо постараться подать положительную емкостную ОС прямо на затвор встроенного полевика и компенсировать паразитную емкость преобразователя (создав отрицательную емкость). У B&K использование такой ОС позволило снизить мембранные искажения до 5 раз. Осуществлен это вариант может быть с помощью просверливания со стороны платы (задней стороны капсюля) маленького отверстия, чтобы сквозь него просунуть металлический стержень вплоть до касания заднего электрода (собственно, затвор полевика тоже не припаян, а лишь касается его). И через этот электрод осуществить положительную емкостную ОС.
    Второе предложение.
    Оно требует вскрытия капсюля. Надо закрыть четыре отверстия в заднем электроде и минимизировать воздушную связь между мембранным зазором и объемом за задним электродом, там, где находится полевик. Это резко повысит "жесткость" воздушного зазора, тем самым смещение мембраны при том же SPL станет меньше - уменьшатся и искажения. Минусом этого варианта кроме необходимости вскрытия капсюля является снижение чувствительности преобразователя. В результате динамический диапазон останется тем же, он просто сместится в область бОльших значений SPL. А все-таки хочется именно увеличить динамический диапазон, оставив неизменным нижний порог SPL.
    3. Можно создать предусилитель, компенсирующий мембранные искажения. Плюсами такого подхода могут быть реальное увеличение динамического диапазона, а также отсутствие необходимости серьезных конструктивных изменений капсюля. Минусами могут быть температурная нестабильность компенсации и трудность ее осуществления во всем частотном диапазоне. Но мне кажется это самым перспективным направлением, уже подтвержденным экспериментально.

    Наверное возможны и другие подходы. Было бы здорово, если бы они были озвучены.

    Первый вариант весьма недурной, только кропотливый. Вставленный штырёчек затем можно посадить на герметик. Вариант вполне реализуемый.
    А второй вариант не годится. Дырочки нельзя замазывать, ибо на низких частотах будете иметь завал. По аналогии с закрытым ящиком акустической системы- уменьшение объёма ведёт к повышению граничной частоты воспроизведения. В микрофоне ситуация аналогичная. Так что- низя !

    Кстати, возвращаясь к искажениям: я вот сегодня подумал о том, о чем надумал вчера, и передумал- какая еще, к чертям, диэлектрическая абсорбция в диэлектрике, находящемся в постоянном электрическом поле, величиной чуть ли не с десяток 10 МВ/м (от умственного перенапряжения, так сказать, и не др того додумаешься) ?! Так что, модель БиК вполне работоспособна и на электретах, почти никаких отличий. По сути, только надо учесть диэлектрическую постоянную мембраны, толщина которой = ~7мкм. Мембрана, скорее всего, лавсановая, диэлектрическая проницаемость лавсана примерно = 3. Так что все параметры известны. Но сути дела это не меняет- твои выводы верны.

    Что касается отрицательной емкости: заметь (см. в 0048юпдф нижнюю фомулу на стр 29 ), коэффициент усиления ПТ должен превышать единицу. Чтобы полностью компенсировать вторую гармонику (см. Fig. 4. в 0048.пдф ) Сi должно равняться Cp= 2-3 пФ для малогь заднего электрода, или превышать Cp длщ большого заднего электрода.
    Отсюда и надо опираться для выбора Ку, который должен быть более +1, согласно всё тому же 0048.пдф. Значит надо подобрать С и Ку так, чтобы ПТ не самовозбудился, да еще и мог бы компенсировать какую-то часть искажений.
    Заметь, если искажения у БиК уменьшаются в 5 раз, то, согласно Fig. 4., соотношение Сp на Со равняется, примерно 0.05 для капсюля с малым зад. эл., -0.2 для капсюля с большим задним эл. Так, для капсюля в 5 пФ суммарная паразитная емкость(после вычета Сi) Сp должна быть = 0.25 пФ или -1пФ. Отсюда следует, что если конструктивно Сp = 2 пФ, то Сi должно быть равным 1.75 пФ или 3 пФ для капсюлей с малым и большим задним электродами(т.е. ВМ61), соответственно. Остается выбрать Ку и С, чтобы схема не возбудилась. В любом случае, усь надо делать с регулируемым усилением, дабы подобрать оптимальный С.
    Последний раз редактировалось Dzymytch; 03.09.2014 в 06:04.
    Понимание некоторых тенденций не освобождает от знания многих фактов

  7. #26
    Старый знакомый Аватар для Bobby_ii
    Регистрация
    16.03.2011
    Адрес
    Spb
    Сообщений
    822

    По умолчанию Re: Предусилители электретных микрофонов для работы с повышенными уровнями звуковой мощности.

    Цитата Сообщение от Fenyx Посмотреть сообщение
    Толщина электрета приближается к нулю (микрон несколько). Как пишут в вумных книгах "во много раз меньше" воздушного зазора.
    Воздушный зазор - 20мк
    Мембрана 5-10мк
    электрет:
    пуговица с электретом 0,521
    пуговица без электрета - 0,505
    т.е. электретная пленка - прим 15мк
    Хотя на вид кажется тоньше - снять ее не получилось, только отскрести.

    Цитата Сообщение от Dzymytch Посмотреть сообщение
    мембраны, толщина которой = ~7мкм
    Чтобы не было разброса как у меня (5-10), надо мерить мембрану на мет. кольце и кольцо без мембраны . Слой клея?

    К толщине мембраны надо добавить толщину электрета. Суть одна - диэлектрик в зазоре.

    Цитата Сообщение от semimat Посмотреть сообщение
    3. Экспериментально обнаружена частотная зависимость К2 и К3, проявляющаяся на частотах выше 5...7 кГц для WM61. С этих частот начинается заметное снижение К2 с увеличением частоты.
    -Этот результат требует осмысления.
    Из правдоподобных домыслов: выше 5-7кГц бОльший вклад вносит инерция, а не упругость. Т.е. нелинейность - в упругости. Видимо, воздуха.
    Цитата Сообщение от semimat Посмотреть сообщение
    происходит плавный переход от модели параболического прогиба, дающего бОльшие искажения, к модели плоского смещения, для которой искажения меньше.
    Это вряд-ли т.к. есть отверстие в корпусе и достаточно тесное пр-во корпус-мембрана. Волны меньшей длины будут действовать на меньшую площадь. Т.е. скорее всего это отверстие в корпусе участвует в формировании АЧХ на ВЧ. Нет такого, что волна приходит плоско на мембрану и мембрана имеет плоское смещение. Волны с бОльшей длиной будут давить на всю мембрану но мембрана будет прогибаться параболически, с короткой - на центр и все равно параболически (ну почти). Думаю, так сделали компенсацию чтоб АЧХ выровнять. Я спиливал верхнюю крыжку (открывал мембрану) - наблюдался явный дисбаланс АЧХ в сторону ВЧ.

    Цитата Сообщение от semimat Посмотреть сообщение
    - во-вторых, мне кажется, что современные капсюли диаметром 6 мм уже обеспечивают звуковой диапазон до 20000 кГц, и уменьшать диаметр мембраны дальше не имеет смысла (это уменьшает искажения, расширяет частотный диапазон, но снижает чувствительность).
    Есть ноутбучные капсюли - они наверное 3мм в диаметре. Можно их использовать для ВЧ. Никто не мешает иметь пару микрофонов.
    У капсюлей побольше (9мм) и мембрана ЗНАЧИТЕЛЬНО толще/жестче. И скорее всего, лавсановая, у ВМ-61 мембрана из чего-то ЗНАЧИТЕЛЬНО более мягкого, эластичного и вязкого и более похожего на резину или силикон. Тыкал пинцетом - прогибалась наверное на 1мм и возвращалась обратно без следа от пинцета. В 9мм такое не проходит - след остается.
    Остается надеяться, что в 3мм микрофонах мембрана еще более мягкая. За счет этого чувствительность не сильно пострадает. А вот линейность скорее всего пострадает из-за меньшего объема (если основную нелинейность вносит упругость воздуха). Чем мягче мембрана - тем больше вклад упругости воздуха.
    Один такой (3мм) микрофон послал нашему экспериментатору olvicgor*у. Он спросил: зачем? А я тогда и сам не знал.
    Цитата Сообщение от semimat Посмотреть сообщение
    Надо закрыть четыре отверстия в заднем электроде и минимизировать воздушную связь между мембранным зазором и объемом за задним электродом, там, где находится полевик. Это резко повысит "жесткость" воздушного зазора, тем самым смещение мембраны при том же SPL станет меньше - уменьшатся и искажения.
    Аналогично. Воздух более нелинеен чем мембрана. Больше вклад воздуха - выше искажения.
    Раз уж микрофон разобран - надо увеличить кол-во дистанционных колец. Вот это снизит чувствительность и искажения.
    Цитата Сообщение от semimat Посмотреть сообщение
    В соответствии с предложениями из bv0048.pdf надо постараться подать положительную емкостную ОС прямо на затвор встроенного полевика и компенсировать паразитную емкость преобразователя (создав отрицательную емкость). У B&K использование такой ОС позволило снизить мембранные искажения до 5 раз.
    ОС можно подать и через емкость Сток-Затвор. При малых напряжениях СИ эта емкость сильно нелинейна и растет К345 итд. Если поднимать питание - режим транзистора теряет стабильность из-за непонятного механизма формирования потенциала затвора. Так что доступ к затвору я бы использовал в первую очередь для формирования его потенциала.
    Как вы собираетесь подавать ОС на затвор? Через конденсатор? Через какой? Рекомендую ознакомиться с измерениями искажений конденсаторов. И еще цикл измерений. Думаете, не "напрудите" более жестких искажений?
    По-моему, пора отказываться от попыток "выправить" искажения мембраны микрофонным полевиком.
    По-моему, предом надо добиться минимума К345... а К2 "разогнуть" отдельно.

    А модель мембранных искажений важна для того, чтобы ее засунуть в спайс и промоделировать пред и разгибатор.

  8. #27
    Старый знакомый Аватар для Dzymytch
    Регистрация
    01.01.2006
    Адрес
    Вильнюс
    Возраст
    38
    Сообщений
    535

    По умолчанию Re: Предусилители электретных микрофонов для работы с повышенными уровнями звуковой мощности.

    Цитата Сообщение от Bobby_ii Посмотреть сообщение
    Воздушный зазор - 20мк
    Мембрана 5-10мк
    электрет:
    пуговица с электретом 0,521
    пуговица без электрета - 0,505
    т.е. электретная пленка - прим 15мк
    Хотя на вид кажется тоньше - снять ее не получилось, только отскрести.


    Чтобы не было разброса как у меня (5-10), надо мерить мембрану на мет. кольце и кольцо без мембраны . Слой клея?

    У меня микрометр с конусными вставками, то я измерил натянутую мембрану. У меня получилось больше 5 но меньше 10 мкм. Примерно 7мкм. Измерял несколько раз.

    К толщине мембраны надо добавить толщину электрета. Суть одна - диэлектрик в зазоре.
    Из правдоподобных домыслов: выше 5-7кГц бОльший вклад вносит инерция, а не упругость. Т.е. нелинейность - в упругости. Видимо, воздуха.
    Инерция вносит вклад выше частоты основного резонанса, именно поэтому выше частоты резонанса начинается завал. Ниже резонанса подавляющий вклад дает упругость. Ровно как и у громкоговорителей, с той разницей, что у громкоговорителей имеется довольно таки широкая область, в которой коллебания управляются механическим сопротивлением.


    Аналогично. Воздух более нелинеен чем мембрана. Больше вклад воздуха - выше искажения.
    Так не должно быть, единственный источник "искажений воздуха"- адиабатическое расширение воздуха в объёме капсюля. но т.к. смещение мембраны мало в сравнение с объемом капсюля, не думаю, что воздух будет существенно влиять на искажения.
    Понимание некоторых тенденций не освобождает от знания многих фактов

  9. #28
    Старый знакомый Аватар для Bobby_ii
    Регистрация
    16.03.2011
    Адрес
    Spb
    Сообщений
    822

    По умолчанию Re: Предусилители электретных микрофонов для работы с повышенными уровнями звуковой мощности.

    Dzymytch, дай на русском резюме статьи БиК "в трех словах": что какой вклад в нелинейность дает. У меня вечность уйдет на перевод.
    С другой стороны - молчать буду с месяцочек ... . Надоело домысливать. А статья - большая.

  10. #29
    Старый знакомый Аватар для Dzymytch
    Регистрация
    01.01.2006
    Адрес
    Вильнюс
    Возраст
    38
    Сообщений
    535

    По умолчанию Re: Предусилители электретных микрофонов для работы с повышенными уровнями звуковой мощности.

    Bobby_ii,
    там, вроде как, про нелинейность воздуха ни словом не упоминается. Только искажения, возникающие из-за движения мембраны(точнее- изменения активной емкости капсюля).Имеются статьи Войшвило касательно природы нелинейных искажений в компрессионных акустических системах (рупор), но оно тож на буржуинском. Если с математикой дружишь- всё поймешь. Там, как раз, и рассматривается вопрос акустических нелинейностей, возникающих по причине адиабатического расширения воздуха. С точки зрения физики- ситуация в микрофоне аналогичная: окружающая среда-->мембрана-->закрытый объём капсюля, в котором происходит сжатие воздуха. Будет время- поищу что-нибудь годное у себя на русском.
    Понимание некоторых тенденций не освобождает от знания многих фактов

  11. #30
    Старый знакомый Аватар для Bobby_ii
    Регистрация
    16.03.2011
    Адрес
    Spb
    Сообщений
    822

    По умолчанию Re: Предусилители электретных микрофонов для работы с повышенными уровнями звуковой мощности.

    Брюли только про нелинейность емкости говорят? Перетекание заряда по мембране рассматривают?

    Мембрана сама по себе симметрична. Асимметрия (механическая) может возникать только вследствие притяжения мембрана-электрод и сжатия воздуха (пусть изотермического т.к. расстояние 20мк насколько помню, меньше длины свободного пробега молекул).
    Изменение объема воздуха (относительное) можно оценить как Uампл_вых/Uполяризации.
    Поляризация думаю 100-200В, не 300-400. Т.е. относительное изменение объема на 120дБ +-1-3% (будем считать, что отверстия только на НЧ работают). Сколько это даст искажений? При изотерме? (сорри, принципиально думать могу, считать - нет).

    Также интересно было бы оценить упругость мембраны. Думаю, по рез. частоте это возможно сделать. Плотность материалов примерно одинакова. Засунуть в какой-нить солид (я не умею, или формулу зависимости основного резонанса мембраны в зав-ти от параметров материала - тогда можно в Эхель засунуть наверное). И оценить, какой % упругости дает мембрана, какой % - воздух.

    Из умозрительных соображений - электрические искажения и электро-механические (из-за притяжения) имеют один знак, акустические (сжатие воздуха) - другой.

    ---------- Сообщение добавлено 20:06 ---------- Предыдущее сообщение было 20:02 ----------

    Dzymytch, твоя модель если подставить в нее другие параметры:
    Воздушный зазор - 20мк
    Мембрана 5мк (думаю, надо брать мин. значения, у меня тоже 5-10 на отрезанной мемране) + электрет 15мк = 20мк
    будет показывать такое-же согласие с экспериментом? При какой поляризации?

  12. #31
    без фанатизма Аватар для Nota Bene
    Регистрация
    25.01.2005
    Адрес
    Tartaria
    Возраст
    68
    Сообщений
    4,563

    По умолчанию Re: Предусилители электретных микрофонов для работы с повышенными уровнями звуковой мощности.

    Мож встряну маленько?
    C емкость плоского конденсатора, фарад
    S площадь пластин конденсатора, метр2
    d расстояние между пластинами, метр
    ε0 электрическая постоянная, Фарад/метр
    ε относительная диэлектрическая проницаемость,
    C= ε0 * ε *S/D

    D в знаменателе формулы может и дает ту нелинейность (она же тут является переменной)?
    Прежде чем задать вопрос,- подумай, что ты будешь делать с ответом...

  13. #32
    Старый знакомый
    Автор темы
    Аватар для semimat
    Регистрация
    06.03.2014
    Адрес
    Москва
    Сообщений
    856

    По умолчанию Re: Предусилители электретных микрофонов для работы с повышенными уровнями звуковой мощности.

    Цитата Сообщение от Nota Bene Посмотреть сообщение
    Мож встряну маленько?...
    D в знаменателе формулы может и дает ту нелинейность (она же тут является переменной)?
    Хорошо, что подключился. Но я даже больше скажу.... Даже если бы переменная D стояла в числителе - это не поменяло бы суть. А суть в том, что КАК БЫ НИ МЕНЯЛАСЬ эта емкость - она МЕНЯЕТСЯ - и это главное. В этом случае мы получаем источник сигнала с ПЕРЕМЕННЫМ ВЫХОДНЫМ ИМПЕДАНСОМ. И вот если такой источник нагрузить на некоторую нагрузку ( в данном случае - суммарную паразитную емкость), то получается ПЕРЕМЕННЫЙ ЕМКОСТНОЙ ДЕЛИТЕЛЬ, зависящий от амплитуды сигнала. Это и порождает нелинейность. Это физическая суть. А конкретные параметры нелинейности уже и определяются тем, каким образом емкость зависит от переменной D. Дальше идет математический расчет для конкретной функции зависимости емкости от D, который и проведен у B&K в bv0048.pdf именно по приведенной тобой формуле для случая параллельного смещения мембраны и по более сложной формуле для её параболического прогиба.
    Последний раз редактировалось semimat; 04.09.2014 в 23:14.

  14. #33
    Старый знакомый Аватар для Bobby_ii
    Регистрация
    16.03.2011
    Адрес
    Spb
    Сообщений
    822

    По умолчанию Re: Предусилители электретных микрофонов для работы с повышенными уровнями звуковой мощности.

    Цитата Сообщение от Nota Bene Посмотреть сообщение
    D в знаменателе формулы может и дает ту нелинейность (она же тут является переменной)?
    Напряжение = Q/C=QD/See0 и ... опа D уже в числителе .

    Цитата Сообщение от semimat Посмотреть сообщение
    получаем источник сигнала с ПЕРЕМЕННЫМ ВЫХОДНЫМ ИМПЕДАНСОМ. И вот если такой источник нагрузить на некоторую нагрузку ( в данном случае - суммарную паразитную емкость), то получается ПЕРЕМЕННЫЙ ЕМКОСТНОЙ ДЕЛИТЕЛЬ, зависящий от амплитуды сигнала.
    Коротко и по делу. Теперь понятно, почему от паразитной емкости зависит.
    Никакими перетеканиями заряда, компрессией воздуха и асимметричностью смещения не пахнет.
    Спасибо.

    ---------- Сообщение добавлено 23:24 ---------- Предыдущее сообщение было 23:16 ----------

    Параболичностью они считали эту нелинейность делителя?

  15. #34
    Старый знакомый
    Автор темы
    Аватар для semimat
    Регистрация
    06.03.2014
    Адрес
    Москва
    Сообщений
    856

    По умолчанию Re: Предусилители электретных микрофонов для работы с повышенными уровнями звуковой мощности.

    Цитата Сообщение от Bobby_ii Посмотреть сообщение
    Параболичностью они считали эту нелинейность делителя?
    В файле bv0048.pdf на страницах 24...25 автор вычисляет функцию зависимости емкости от смещения центра мембраны при параболическом прогибе, а затем рассчитывает гармоники К2 и К3 именно из принципа переменного емкостного делителя по формуле (1) со страницы 20.

  16. #35
    Старый знакомый Аватар для Bobby_ii
    Регистрация
    16.03.2011
    Адрес
    Spb
    Сообщений
    822

    По умолчанию Re: Предусилители электретных микрофонов для работы с повышенными уровнями звуковой мощности.

    А смещение при параболическом прогибе от давления рассчитывает? Там тоже кое-что должно вылезти из нечетных.

    ---------- Сообщение добавлено 00:48 ---------- Предыдущее сообщение было 00:47 ----------

    Вообще какая-нибудь программа моделирования просится. Спрошу у специалистов - могут ли они такое.

  17. #36

    По умолчанию Re: Предусилители электретных микрофонов для работы с повышенными уровнями звуковой мощности.

    Цитата Сообщение от Bobby_ii Посмотреть сообщение
    Как вы собираетесь подавать ОС на затвор? Через конденсатор? Через какой? Рекомендую ознакомиться с измерениями искажений конденсаторов. И еще цикл измерений. Думаете, не "напрудите" более жестких искажений?
    Без проблем. Ёмкости COG/NPO, искажения на 20Кгц не более -150дБ при напряжении 1-2В.
    http://www.audio-perfection.com/forum/thread-87.html
    http://www.audio-perfection.com/forum

  18. #37
    Старый знакомый
    Автор темы
    Аватар для semimat
    Регистрация
    06.03.2014
    Адрес
    Москва
    Сообщений
    856

    По умолчанию Re: Предусилители электретных микрофонов для работы с повышенными уровнями звуковой мощности.

    Цитата Сообщение от begemot61 Посмотреть сообщение
    Без проблем. Ёмкости COG/NPO, искажения на 20Кгц не более -150дБ при напряжении 1-2В.
    http://www.audio-perfection.com/forum/thread-87.html
    Я тоже считаю, что нелинейности конденсаторов, у которых диэлектрик имеет диэлектрическую проницаемость в несколько единиц, ничтожно малы. Только у конденсаторов на основе сегнетоэлектических керамик, где диэлектрическая проницаемость составляет несколько тысяч, нелинейные эффекты могут быть большими.
    Примерно этот вывод делается и в статье, на которую ссылается bobby-ii в #26 : http://www.electroclub.info/other/conders1.htm, где использован двухчастотный метод измерений (bobby-ii,наверное, её не дочитал):
    "У остальных типов конденсаторов уровень искажений оказался примерно в десять и более раз ниже, чем искажения усилителя, и, по крайней мере, в сто раз ниже, чем искажения лучших современных динамических головок в аналогичном режиме тестирования. При этом количество значимых интермодуляционных гармоник в спектре конденсаторов очень мало - только первого и второго порядка. Гармоники более высоких порядков у всех конденсаторов, кроме оксидных и керамических, оказались ниже порога измерения (0,0001%)"

    В этой статье для измерения искажений конденсатора поступали так:
    "Тестируемый конденсатор включался в одну из типовых схем - фильтр второго порядка для ВЧ головки. Такой
    режим позволяет наиболее полно оценить качество конденсатора при соответствующем выборе тестовых частот. На фильтр с тестируемым конденсатором одновременно подавались два синусоидальных сигнала каждый напряжением 10В (эфф.), с частотами 70 Гц и 3кГц от двух разных усилителей мощности через специальный сумматор, развязывающий выходы усилителей. Это позволило полностью исключить интермодуляцию в самих усилителях. Полезный сигнал и искажения измерялись с помощью датчика тока в цепи резистора нагрузки, имитирующего ВЧ головку."


    У тебя предложена интересная методика измерения искажений, не использующая двухчастотный метод. Я понимаю, как она работает, если у измеряемого устройства есть вход и выход. А как с ее помощью измерять искажения конденсатора? Как он включается в схему:
    "Выход звуковой карточки (по сути-генератор) -->полосовой фильтр -->Измеряемое Устройство --> режекторный фильтр-->вход звуковой карточки (АЦП)"?

  19. #38

    По умолчанию Re: Предусилители электретных микрофонов для работы с повышенными уровнями звуковой мощности.

    Цитата Сообщение от semimat Посмотреть сообщение
    Как он включается в схему
    Примерно так. Там эти кондюки используются в двух местах в сигнальной цепи, в обоих полосовиках. Про основной полосовик что-то сказать трудно, поскольку там большая добротность и его собственные искажения будут частично подавлены за счёт собственной частотки. И не всегда очевидно насколько именно они будут подавлены. Но второй, в режекторе, низкодобротный. И там было бы всё видно.
    А вообще, было бы несложно проверить на простейшем RC ФВЧ. И мерить где-то в районе частоты среза, когда на кондюке достаточно много падает и сигнал уже не так ослабляется. Но я не ставил специальной целью померить искажения COG/NPO кондюков поскольку работа устройства меня вполне удовлетворила.
    http://www.audio-perfection.com/forum

  20. #39
    Старый знакомый
    Автор темы
    Аватар для semimat
    Регистрация
    06.03.2014
    Адрес
    Москва
    Сообщений
    856

    По умолчанию Re: Предусилители электретных микрофонов для работы с повышенными уровнями звуковой мощности.

    Итак, начинается движение к цели, намеченной в #5.

    Для начала посмотрим, какие искажения достигаются в распространенных микрофонах, выполненных на базе электретных капсюлей.
    Пока речь идет о частотном диапазоне до 5...7 кГц. В спецификациях на фирменные недорогие микрофоны величина искажений указывается для частоты 1кГц. Они примерно остаются такими и во всем указанном диапазоне частот. Вопрос о справедливости результатов для более широкого частотного диапазона будет также рассмотрен впоследствии применительно к задаче подавления мембранных искажений.

    На рис.1 я постарался собрать воедино данные по искажениям (как по THD, так и по отдельным гармоникам), которые приводились на форуме (как экспериментальные, так и справочные), а также графики искажений, полученные в моделировании некоторых представленных ниже типовых схем. В качестве главных опорных графиков относительно которых, происходит сравнение, приведены зависимости мембранных искажений для конденсаторного микрофона B&K 4135 (К2 - черная сплошная линия) и электретного капсюля WM-61 (К2 - красная сплошная и К3 - синяя сплошная), которые уже приводились в #5.

    Рис 1. Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	графики искажений с подписями.png 
Просмотров:	892 
Размер:	35.6 Кб 
ID:	222612

    Дадим пояснение по схемам и микрофонам, для которых на рисунке приведены графические данные.
    Первую группу, для которой представлены типовые графики зависимости искажений от уровня звукового давления, составляют микрофоны с не переделанным капсюлем, когда встроенный полевик работает в режиме с общим истоком (ОИ).
    Среди них самыми большими искажениями, определяемыми квадратичностью ВАХ встроенного полевика, обладает схема с подключением стока ко входу трансимпедансного усилителя.
    Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	трансимпеданс.png 
Просмотров:	826 
Размер:	3.8 Кб 
ID:	222622
    Для нее проведено моделирование в Мультисиме. График под номером 1. При многих других достоинствах, к сожалению, эта схема в полной мере сохраняет нелинейность полевика.

    Немного лучшими искажениями обладает стандартная схема включения капсюля, приводимая в их даташитах.
    Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	стандарт.png 
Просмотров:	613 
Размер:	2.1 Кб 
ID:	222623
    Снижение искажений происходит за счет проявления эффекта Миллера, а также за счет эффекта зависимости крутизны полевика от напряжения на стоке. Результат моделирования - график под номером 2.

    Еще большего снижения искажений за счет более полного использования упомянутых в предыдущем абзаце эффектов можно достигнуть, существенно изменив режим работы транзистора, а именно, увеличив нагрузочный резистор в стоке и напряжение питания.
    Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	нестандарт.png 
Просмотров:	577 
Размер:	1.8 Кб 
ID:	222624
    По этому пути, в частности, пошли разработчики микрофона ECM800, на что обратил внимание olvicgor , который в посте #2480 провел макетирование его схемы и получил интересные результаты. Во-первых, нестандартный режим позволяет до 100 раз снизить уровень искажений, правда, это достигается лишь очень точной регулировкой нагрузочного сопротивления. Затемненная область 4 показывает, насколько могли изменяться THD при изменении нагрузочного сопротивления в пределах от 15 до 22 кОм. График 5 показывает, как у этой схемы меняется уровень гармоники К3 в зависимости от SPL. Он показывает, что оптимизация Rн позволяет скомпенсировать К2, но при этом К3 остается очень большой.
    Я решил промоделировать аналогичный нестандартный режим работы капсюля (естественно, с другими параметрами полевика). Полученный график зависимости THD при оптимально подобранном значении сопротивления нагрузки представлен под номером 3. Действительно, моделирование подтвердило, что незначительное отклонение от оптимального значения Rн резко увеличивает искажения.
    Хочу обратить внимание: и из экспериментальных графиков, и из симулирования следует, что нестандартный режим полевика позволяет при некоторых условиях получить полные искажения меньшие, чем мембранные! Это еще раз подсказывает, что подавление мембранных искажений вполне возможно.

    Резюмируя обзор этих трех схем, повторю, что для полевика по сути - это одна схема - ОИ, только в первом случае эквивалентное сопротивление нагрузки в стоке равно нулю, во втором - 2 кОм, а в третьем 10...30 кОм. А результаты различаются в сотни раз! То есть, при увеличении Rн от нуля до некоторого оптимального значения, искажения падают за счет роста ООС через паразитную емкость Ссз (эффект Миллера), а также за счет коменсирующей роли эффекта зависимости крутизны полевика от напряжения на стоке. Однако, после достижения некоторого оптимума по Rн, дальнейший его рост уже приводит к увеличению искажений. Если эффект ООС не сильно зависит от незначительных изменений Rн, то эффект компенсации искажений радикально зависит от точности настройки Rн. Это хорошо иллюстрируется на рисунке областью 4. Верхняя граница показывает уровень искажений при неточной подгонке Rн (в этом случае главную роль в подавлении искажений играет ООС). Но если точно подстроить Rн, то происходит дополнительное снижение искажений до нижней границы области уже за счет компенсации. Поскольку этот эффект требует точной настройки Rн и, следовательно, дополнительных мер стабилизации режима работы транзистора, то в серийных недорогих микрофонах, думаю, этой подгонки нет. Поэтому можно полагать, что верхняя граница области 4 - это и есть средние искажения микрофонов типа Беринжер и аналогичных. Нижняя граница - это то, что смог достигнуть olvicgor в своих экспериментах.

    Самые лучшие результаты по THD для высоких уровней звукового давления дают схемы с переделанным капсюлем, когда встроенный полевик переводится в режим истокового повторителя (ИП). Это упоминавшиеся ранее схема Линквица и схема со следящими обратными связями.
    схема Линквица Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	Линквиц.png 
Просмотров:	743 
Размер:	2.8 Кб 
ID:	222625 схема со следящими ОС Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	следящ ОС.png 
Просмотров:	980 
Размер:	3.9 Кб 
ID:	222626
    Собственные искажения этих схем настолько малы, что полные искажения микрофона определяются уже не предусилителем, а мембраной. Поэтому графики искажений у них (8 и 7) практически совпадают с графиком 6 для гармоники К2 с мембраны WM-61 (у которой при SPL менее 140 дБ гармоника К3 намного слабее). Тем не менее, я считаю, что предпочтение все равно следует отдать схеме со следящими обратными связями, поскольку у нее выходной сигнал не ослаблен входной емкостью Сзс полевика, как в схеме Линквица, поэтому он почти на 20% больше. Да и третья гармоника у схемы со следящими ОС меньше.
    Еще одной важной особенностью этих схем является пяти....десятикратное (и более) снижение нижней граничной рабочей частоты до долей Гц за счет увеличения эквивалентного входного активного сопротивления полевика. Это дает отличную фазовую характеристику на низах. Данное обстоятельство мне кажется существенным, если попытаться использовать такой микрофон в качестве сенсора в системах ЭАОС.
    Последний раз редактировалось semimat; 19.11.2014 в 04:02.

  21. #40
    Старый знакомый
    Автор темы
    Аватар для semimat
    Регистрация
    06.03.2014
    Адрес
    Москва
    Сообщений
    856

    По умолчанию Re: Предусилители электретных микрофонов для работы с повышенными уровнями звуковой мощности.

    Прежде чем непосредственно приступить к рассмотрению способов борьбы с мембранными искажениями приведу еще один рисунок с графиками, являющийся некоторой доработкой предшествующего рисунка.
    Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	искажения микрофонов.png 
Просмотров:	1545 
Размер:	34.1 Кб 
ID:	223116
    Мне показалось, что здесь более наглядно показаны потенциальные возможности различных микрофонов и схем ПУ. Всё что выше красной линии - это вариации включения капсюля по схеме ОИ (то есть, без доработки). Ближе всего к мембранным искажениям капсюля WM-61 (из того, что я нашел на форуме) располагаются графики THD для UMIK-1 и EMM6 (построенные, правда, по одной точке каждый ). Возможно, приведенные для них данные приукрашены фирмами-производителями, а возможно в этих микрофонах уже стоят более хорошие (по искажениям) капсюли по сравнению с WM-61 (поскольку чувствительность у них похуже, чем у последнего). Но в любом случае они скорее всего не дотягивают до WM-61 "с доработкой". Правда, не дотягивают не так уж и много, если смириться с тем, что красный график второй мембранной гармоники К2 (присутствующей уже на заднем электроде, то есть, до ПУ), - является той самой красной чертой, ниже которой опустить уровень искажений никак нельзя. Раньше все надеялись, что эта красная черта для WM-61 проходит гораздо ниже, но увы...
    Тем не менее, красной черты мы таки уже достигли, причём, с помощью простых и неприхотливых схем, не требующих тонкой настройки и высокой радиотехнической квалификации. Вместе с тем, микрофоны, обладающие меньшими искажениями, чем эти, находятся уже в ценовой категории, дающей основание задуматься, стоит ли оно таких расходов.

    Вот теперь каждый может посмотреть на рисунок, подумать, какие уровни искажений он хочет измерять, при каких значениях SPL, и принять решение, имеет ли смысл для него дальше бороться за снижение искажений.

    Я же собираюсь в следующих постах начать рассмотрение вопроса снижения искажений капсюля WM-61 до уровня ниже черной линии - графика зависимости величины второй гармоники К2 фирменного конденсаторного микрофона B&K 4135, имеющего тот же диаметр, что и WM-61. Я считаю, что такие искажения уже приемлемы практически для всех возможных измерительных задач в музыкальной акустике.
    Последний раз редактировалось semimat; 24.11.2014 в 13:04.

Страница 2 из 30 Первая 123412 ... Последняя

Социальные закладки

Социальные закладки

Ваши права

  • Вы не можете создавать новые темы
  • Вы не можете отвечать в темах
  • Вы не можете прикреплять вложения
  • Вы не можете редактировать свои сообщения
  •