사운드 트랜스듀서 - 마이크로폰

 

소리는 단열 과정에서 압축 및 감압에 의해 전파되는 종파의 일종인 음파에 부여된 일반화된 용어입니다. 음파의 주파수 범위는 1Hz에서 수만 Hz 사이입니다. 이 넓은 범위에서 인간은 20Hz에서 20K Hz 사이를 들을 수 있습니다.

오디오 또는 사운드 변환기는 입력 센서 또는 사운드-전기 변환기 및 출력 액추에이터 또는 전기-사운드 변환기의 두 가지 유형이 있습니다. 입력 센서의 예는 마이크이고 출력 액추에이터의 예는 확성기입니다.

 

사운드 변환기는 음파를 감지하고 전송할 수 있습니다. 음파의 주파수가 매우 낮으면 이를 인프라 – 소리라고 합니다. 그리고 음파의 주파수가 매우 높으면 울트라 사운드라고 합니다.

 

소리란?

소리는 기계적 진동과 연관되어 있기 때문에 소리와 진동은 상호 연결됩니다. 많은 소리는 고체나 기체의 진동으로 인해 발생합니다. ANSI에 따르면 소리는 "압력, 응력 등의 진동으로 내부 힘 또는 전파 된 진동의 중첩을 가진 매체에서 전파되는 것"으로 정의됩니다. 음파는 진동에 의해 발생하는 파형입니다.

이 파형은 음파의 영향을 받는 모든 재료에 동일한 진동이 설정되도록 합니다. 음파를 전송하기 위해서는 진동할 수 있는 매체가 필요합니다. 진동하는 물체나 물질은 주변 공기 분자를 압축하여 희박하게 만듭니다. 진공을 통한 음파의 전송은 없습니다.

 

소리가 전송될 때 속도 또는 속도, 파장 및 주파수의 세 가지 중요한 파동 매개변수가 있습니다. 이러한 특성은 전기 파형의 특성과 유사합니다. 소리의 주파수와 파형은 소리의 기원 또는 소리를 일으키는 진동의 주파수와 파형에 의해 결정됩니다.

소리의 속도와 파장은 음파를 전송하는 매체에 따라 다릅니다.

 

속도, 파장 및 주파수의 세 가지 매개변수 간의 관계는 다음과 같습니다.

주파수(f) = 속도(m/s) / 파장(λ)

 

주파수 단위는 헤르츠(Hz)입니다.

주어진 재료의 음속은 재료의 밀도와 탄성에 따라 다릅니다. 따라서 음속은 고체에서 더 높고 고압 가스에서 낮습니다.

음파의 객관적인 측정은 평방 미터당 음향 에너지의 와트 수로 측정된 수신 표면의 강도를 사용합니다. 귀는 비선형 반응을 가지며 감도는 소리의 주파수에 따라 다릅니다.

사람의 귀로 소리를 감지할 수 있는 주파수 범위는 20Hz에서 20kHz 사이입니다. 귀의 반응은 2kHz 영역에서 최대입니다.

 

사운드 트랜스듀서?

사운드 변환기는 사운드 신호를 전기 신호로 변환하거나 전기 신호를 사운드 신호로 변환할 수 있는 장치입니다. 전자의 경우 입력 사운드 트랜스듀서(Input Sound Transducers)라고 하며 이 경우의 예로 마이크(Microphone)를 들 수 있습니다.

후자의 경우 Output Sound Transducers라고 하며 Speaker가 그 예입니다.

 

마이크(입력 사운드 변환기)

오디오 또는 사운드-전기 에너지 변환기는 마이크 또는 단순히 마이크라고 합니다. 마이크는 다이어프램에 작용하는 음파에 비례하는 전기 아날로그 신호를 생성합니다. 마이크는 사용하는 전기 변환기의 유형에 따라 분류됩니다. 변환기 외에도 마이크는 모양과 치수가 전체 시스템의 응답을 수정하는 음향 필터와 통로를 사용합니다.

 

마이크의 특성은 전기적 및 음향적입니다. 마이크의 감도는 음파의 단위 강도당 전기 출력의 mV로 표현됩니다. 마이크의 임피던스는 상당히 중요합니다. 임피던스가 높은 마이크는 전기 출력이 높고 임피던스가 낮은 마이크는 낮은 출력과 관련이 있습니다. 임피던스가 높기 때문에 마이크가 윙윙거리는 소리가 들릴 수 있습니다.

 

마이크의 방향성도 중요한 요소입니다. 마이크가 음파의 압력을 감지하는 데 사용되는 경우 Omni – 방향성, 즉 모든 방향에서 도착하는 소리를 포착합니다. 마이크는 음파의 속도와 방향에 반응하는 경우 방향성이 있습니다.

사운드 트랜스듀서의 종류가 반드시 압력이나 속도로 작동 원리를 결정하는 것은 아니지만 마이크의 구조가 가장 중요한 요소입니다.

가장 일반적인 유형의 마이크는 카본 마이크, 무빙 아이언 마이크, 무빙 코일 마이크, 리본 마이크, 압전 마이크 및 일렉트릿 커패시터 마이크입니다.

 

카본 마이크

카본 마이크는 전화기에 사용하기 위해 개발된 최초의 마이크 유형이었습니다. 이제 그들은 일렉트릿 커패시터 마이크로 대체되었습니다. 카본 마이크는 다이어프램과 백플레이트 사이에 고정된 탄소 알갱이를 사용합니다.

과립이 압축되면 다이어프램과 백플레이트 사이의 저항이 상당히 떨어집니다. 다이어프램에 입사하는 음파의 결과 인 다이어프램의 진동은 과립 저항의 변화로 변환 될 수 있습니다. 마이크는 전압을 생성하지 않으므로 외부 전원 공급 장치가 필요합니다.

 

카본 마이크의 주요하고 유일한 장점은 마이크 표준에 따라 엄청난 출력을 생성한다는 것입니다.

단점은 선형성이 좋지 않고, 오디오 범위에서 다중 공명을 유발하는 열악한 구조이며, 소리가 없는 경우에도 과립의 저항이 변하기 때문에 높은 노이즈 레벨을 포함합니다.

 

무빙 아이언 마이크

무빙 아이언 마이크는 가변 릴럭턴스 마이크라고도 합니다. 움직이는 철 마이크는 강력한 자석을 사용합니다. 자기 회로에는 연철로 만든 전기자가 포함되어 있으며 전기자는 다이어프램에 연결됩니다. 전기자가 움직이면 회로의 자기 저항이 변경되고 이는 차례로 회로의 총 자속을 변경합니다. 이 유형의 마이크에 있는 자기 회로는 악기를 더 무겁게 만듭니다.

 

무빙 코일 마이크 또는 다이나믹 마이크

무빙 코일(다이나믹) 마이크는 일정한 플럭스 자기 회로를 사용합니다. 이 회로에서 전기 출력은 다이어프램에 부착된 회로에서 와이어 코일을 움직여 생성됩니다. 이 전체 배열은 캡슐 형태로되어있어 속도 작동이 아닌 압력 작동 마이크입니다.

 

음파가 진동판에 부딪히면서 코일이 진동판의 움직임에 반응하여 움직입니다. 패러데이의 전자기 유도 법칙을 적용하여 자기장 속에서 코일의 움직임으로 인하여 코일에 전압을 유도합니다. 코일이 음파의 최고 속도에 도달할 때 최대 출력이 발생하므로 출력이 소리와 위상이 90도이상이 됩니다.

 

내부 view 다이내믹 마이크는 아래와 같습니다.

코일의 크기가 작기 때문에 코일의 이동 범위가 매우 작습니다. 따라서 무빙 코일 타입 마이크의 선형성이 우수합니다. 코일의 임피던스가 낮기 때문에 출력이 상당히 낮기 때문에 신호 증폭이 필요합니다.

움직이는 코일 마이크에서 코일의 인덕턴스는 적기 때문에 주전원에서 윙윙거리는 소리에 덜 민감합니다. 무빙 코일 마이크의 구조는 반대로 확성기의 구조와 유사합니다.

 

 

리본 마이크

리본 마이크의 작동 원리는 움직이는 코일 마이크에서 파생되며 코일이 전도성 리본 스트립으로 축소되었다는 변경 사항이 있습니다. 신호는 리본 끝에서 가져옵니다.

최대 가능한 자속을 가로질러 절단된 리본의 이동이 가능하도록 강한 자기장이 사용됩니다. 이것은 음파에 대해 위상 밖 90도에서 피크 값으로 출력을 생성합니다.

 

내부 view 리본 마이크의 모습은 아래와 같습니다.

 

리본 마이크는 벨로시티 작동 마이크입니다. 리본 마이크는 지향성 응답이 중요한 상황에서 사용됩니다. 이 유형의 마이크의 주요 응용 프로그램은 시끄러운 환경에서 음성 해설에 있습니다.

리본 마이크의 선형성은 매우 우수하며 그 구조로 인해 필연적으로 저출력 장치입니다. 전압 레벨과 임피던스 레벨을 높이기 위해 리본 마이크에는 일반적으로 변압기가 장착되어 있습니다. 좋은 품질의 리본 마이크는 고가의 품목입니다. 이 마이크의 지향성 품질은 스테레오 방송에 적합합니다.

 

압전 마이크

다른 유형의 마이크에 비해 압전 마이크의 장점은 공기 중에서 사용하는 데 국한되지 않고 고체에 결합할 수 있고 비전도성 액체에 담글 수도 있다는 것입니다. 압전 변환기는 초음파 주파수에서 사용할 수 있으며 일부는 높은 MHz 영역에서 사용됩니다.

압전 변환기는 결정질 물질로 구성됩니다. 결정이 음파에 의해 변형되면 결정의 이온이 비대칭 방식으로 변위됩니다. 원래 Rochelle Salt Crystal은 압전 마이크의 결정질 재료로 사용되었으며 이 수정은 다이어프램에 결합됩니다.

출력 전압과 임피던스는 높지만 선형성은 좋지 않습니다. 이제 하루는 천연 결정 위에 합성 결정이 사용됩니다. 티탄산 바륨은 최대 수백 KHz의 주파수에 사용되는 합성 결정입니다.

 

압전 마이크의 그림은 아래와 같습니다.

 

커패시터 마이크

커패시터 마이크는 두 개의 표면으로 구성됩니다 : 하나는 전도성 다이어프램이고 다른 하나는 백 플레이트이며 두 표면 사이의 전하가 고정되어 있습니다. 음파가 다이어프램에 부딪히면 진동으로 인해 커패시턴스가 변합니다.

전하가 고정되면 커패시턴스의 변화로 인해 전압파가 발생합니다. 출력은 플레이트 사이의 간격에 따라 다릅니다. 출력은 표면 사이의 간격이 더 작을 때 주어진 소리의 진폭에 대해 더 큽니다.

 

커패시터 마이크의 구조는 아래와 같습니다.

커패시터 마이크는 압력 작동 장치입니다. 고정 전하를 제공하려면 전압 공급이 필요합니다. 이 전압을 편광 전압이라고 합니다. 커패시터 마이크는 작동 시 선형성을 제공하고 매우 우수한 오디오 신호도 제공합니다.

분극 전압을 피하기 위해 일렉트릿이 사용됩니다. 일렉트릿은 영구적으로 충전된 절연 재료입니다. 자석과 같은 정전기입니다. 일렉트릿 커패시터 마이크에서 커패시터의 플레이트 중 하나는 일렉트릿 슬래브이고 다른 하나는 다이어프램입니다. 일렉트릿은 고정 전하를 제공하므로 전압 공급이 필요하지 않습니다.

 

스피커(출력 사운드 변환기)

반대 방향의 변환기가 없으면 마이크를 거의 사용하지 않습니다. 스피커, 부저 및 경적과 같은 변환기는 입력 전기 신호에서 소리를 생성할 수 있는 출력 사운드 액추에이터입니다. 사운드 액츄에이터의 기능은 전기 신호를 마이크에 대한 원래 입력 신호와 매우 유사한 음파로 변환하는 것입니다.

이어폰은 마이크보다 오래 전에 사용되어 온 더 간단한 출력 사운드 변환기 중 하나입니다. 이어폰은 전기 전신의 모스 키 기계와 함께 사용되었습니다. 마이크의 개발 후, 입력 및 출력 사운드 변환기의 조합은 전화를 포함한 수많은 발명으로 이어집니다. 이어폰의 작업은 간단하며 귀 근처에 배치하기 때문에 일반적으로 몇 밀리와트 정도의 전력 요구 사항도 매우 적습니다.

필요한 출력이 적기 때문에 이어폰은 작은 다이어프램을 사용합니다. 확성기는 이어폰과 달리 귀에 대지 않고 음파가 우주로 발사됩니다. 따라서 확성기의 구성, 원리 및 전력 요구 사항은 약간 다릅니다.

 

라우드 스피커는 다양한 크기, 모양 및 주파수 범위에서 사용할 수 있습니다. 라우드스피커 시스템의 변환기는 복잡한 전기 신호를 기압으로 변환하기 때문에 압력 장치라고 합니다. 이를 위해 라우드 스피커 장치는 입력 전기파를 진동으로 변환하는 모터 장치와 진동 효과를들을 수 있도록 충분한 공기를 이동시키는 다이어프램으로 구성됩니다.

각 유형의 마이크에는 해당 스피커가 있습니다. 일반적인 유형의 스피커는 무빙 철, 무빙 코일, 압전, 등역학 및 정전기입니다.

 

 

무빙 코일 확성기 또는 동적 시끄러운 스피커

무빙 코일 원리는 대부분의 확성기와 이어폰에 사용됩니다. 무빙 코일 라우드스피커는 다이나믹 라우드스피커라고도 합니다. 무빙 코일 라우드스피커의 작동 원리는 무빙 코일 마이크의 작동 원리와 정반대입니다.

그것은 매우 강한 자기장에 매달려있는 보이스 코일이라고 불리는 미세한 와이어 코일로 구성됩니다. 이 코일은 종이나 마일라 콘과 같은 다이어프램에 부착됩니다. 다이어프램은 가장자리에 금속 프레임에 매달려 있습니다.

 

무빙 코일 라우드스피커의 내부 구조는 아래와 같습니다.

입력 전기 신호가 코일을 통과하면 전자기장이 생성됩니다. 이 필드의 강도는 코일을 통해 흐르는 전류에 의해 결정됩니다. 드라이버의 볼륨 조절 설정 ampliifier는 보이스 코일을 통해 흐르는 전류를 결정합니다. 영구 자석에 의해 생성 된 자기장은 전자기장에 의해 생성되는 전자기력에 의해 반대됩니다.

 

이로 인해 코일이 한 방향 또는 다른 방향으로 움직이며 북극과 남극 사이의 상호 작용에 의해 결정됩니다. 코일에 부착된 다이어프램은 코일과 나란히 움직이며 이로 인해 주변 공기에 교란이 발생합니다. 이러한 교란은 소리를 생성합니다. 소리의 크기는 원뿔 또는 다이어프램이 움직이는 속도에 의해 결정됩니다.

 

스피커 동작

인간의 귀가 들을 수 있는 주파수 범위는 20Hz에서 20KHz 사이입니다. 최신 스피커, 헤드폰, 이어폰 및 기타 오디오 변환기는 이 주파수 범위에서 작동하도록 맞춤화되었습니다.

그러나 Hi-Fi(High Fi) 유형 오디오 시스템의 경우 사운드 응답이 더 작은 하위 주파수로 분할됩니다. 이것은 스피커의 전반적인 효율성과 음질을 향상시킵니다. 저주파 단위를 우퍼라고 하고 고주파 단위를 트위터라고 합니다.

중거리 주파수 단위는 간단히 중거리 단위라고 합니다.

 

일반화된 주파수 범위와 해당 용어는 아래에 언급되어 있습니다.

 

서브 – 우퍼 — 10Hz - 100Hz

베이스 — 20Hz - 3kHz

중간 – 범위 — 1kHz - 10kHz

트위터 — 3kHz - 30kHz

 

멀티 스피커 Hi-Fi 시스템에는 액티브 또는 패시브 크로스오버 네트워크가 있는 별도의 우퍼, 미드레인지 및 트위터 스피커가 있어 모든 서브 스피커에서 오디오 신호를 정확하게 분할하고 재생합니다.

 

스피커를 구동하는 간단한 회로는 다음과 같습니다.

 

트랜지스터는 이미터 팔로워 구성에 있습니다. 마이크로 컨트롤러의 PWM 신호는 트랜지스터 베이스에 AC 신호를 제공합니다. 이미터 팔로워 구성은 전류를 증폭하여 AC 신호를 스피커에 제공합니다. 다이오드는 필터 역할을 합니다.

 

멀티 스피커 디자인은 아래와 같습니다.

드라이버에는 우퍼 드라이버, 미드레인지 드라이버 및 트위터 드라이버의 세 가지 유형이 있습니다.

 

간단한 오디오 증폭기 회로는 아래와 같습니다.

사용된 필터 회로에 따라 ampliifier는 우퍼나 중음 또는 트위터 스피커를 구동하는 데 사용할 수 있습니다.

 

다른 유형의 출력 변환기 중 일부는 아래에 언급되어 있습니다.

 

압전 확성기

일반적으로 트위터는 압전 원리를 사용하여 제조됩니다. 다이어프램은 압전 플라스틱 시트로 만들어집니다. 다이어프램 면 사이에 전압이 가해지면 신호에 따라 수축 및 팽창합니다. 다이어프램을 구 표면의 일부로 형성함으로써 수축 및 팽창을 공기를 움직이는 움직임으로 변환할 수 있습니다.

 

정전기 스피커

정전기 스피커는 두 개의 전기 전도성 플레이트 사이에 배치된 전도성 다이어프램으로 구성됩니다. 전도성 플레이트는 각각 양극과 음극으로 충전됩니다. 오디오 신호가 연결되면 다이어프램은 양전하와 음전하 사이를 전환합니다. 다이어프램은 전하에 따라 반대 방향으로 충전된 플레이트 쪽으로 당겨집니다. 이로 인해 앞의 공기가 진동합니다.