СОДЕРЖАНИЕ

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭНЕРГИИ И ИХ ВИДЫ

Применяемые в электроакустике аппараты являются преобразователями одного вида энергии в другой.

Например, подводимая к зажимам громкоговорителя электрическая энергия частично затрачивается на нагрев проводника и, таким образом, превращается в тепловую, а частично превращается в механическую энергию колебаний подвижной системы громкоговорителя.

Для выяснения сущности процесса преобразования одного вида энергии в другой и связи между электрической цепью и механической колебательной системой преобразователя рассмотрим для примера наиболее распространенный в электроакустике электродинамический принцип преобразования.

Из электротехники известно, что если поместить в магнитное поле проводник с током, то он начнет двигаться в направлении, определяемом правилом левой руки. Например, пусть проводник имеет форму плоского витка, в котором ток направлен по часовой стрелке, а магнитные силовые линии направлены по радиусам от центра витка. Тогда сила, которая действует на виток, окажется направленной вверх.

При перемене направления тока на обратное сила, действующая «а виток, также изменит свое направление. Поэтому, если в проводнике будет протекать переменный ток, то проводник будет колебаться. Наоборот, если виток, находящийся в магнитном поле, колеблется под влиянием какой-либо действующей на него силы и перерезает при этом магнитные силовые линии, то в нем будет индуктироваться э.д.с. Если виток замкнуть, то в цепи потечет ток. Рассмотрим несколько подробнее явления, происходящие при электродинамическом способе преобразования.

Если приложить к катушке, состоящей из нескольких витков и находящейся в магнитном поле, переменное напряжение U, то она начинает колебаться под действием возникающих сил. При этом в витках катушки, которая пересекает магнитные силовые линии, индуктируется э. д. с. Направление э. д. с. по правилу Ленца таково, чтобы противодействовать причине, ее вызвавшей, т. е. приложенному напряжению. Значение противо-э.д.с. равно Bl где В — магнитная индукция, Тл; l — длина проводника катушки, м; — скорость движения катушки, м/с. Если обозначить электрическое сопротивление катушки через R, то по закону Ома ток в ней

I=(U-Bl)/R (3)

Скорость движения катушки согласно (1) определяется как частное от деления силы F на полное механическое сопротивление Z_m. Сила, движущая проводник в магнитном поле, равна, как известно,

А = BlI (4)

Отсюда = F/Z_m = BlI/Z_m

Подставляя значение скорости в (3), получаем

I = U - (B²l²/z_M)•I/R (5)

Решая это уравнение относительно I, имеем

I = U/(R+B²l²/Z_m) (6)

Таким образом, при механических колебаниях катушки с током в магнитном поле в ней возбуждается противо-э.д.с., вследствие чего в цепи катушки электрическое сопротивление R как бы увеличивается на значение B²l²/Z_m, называемое вносимым электрическим сопротивлением

Z_вн = B²l²/Z_m = K²/Z_m (7)

где К — коэффициент электромеханической связи.

Вносимое сопротивление обратно пропорционально механическому сопротивлению. Например, если механическое сопротивление катушки равно бесконечности, то вносимое сопротивление равно нулю. Это становится понятным, если учесть, что при бесконечно большом механическом сопротивлении катушка находится в покое, и, следовательно, в витках ее не возбуждается противо-э.д.с.

Итак, сопротивление, вносимое из механической системы в электрическую цепь или из электрической цепи в механическую систему, отражает связь этих систем и их взаимодействие. Ясно, что взаимодействие это тем больше, чем больше коэффициент электромеханической связи К. Попытаемся глубже выяснить природу вносимого сопротивления. Для простоты предположим, что механическое сопротивление чисто активно (Z_m = r). Тогда (3) можно переписать в виде:

I = U/(R+K²/r) = U/(R+K²/r_вп) (8)

Умножая обе части на I и преобразуя, получаем:

UI = I²R +I²r_вп (9)

Очевидно, что левая часть равенства — электрическая мощность, подводимая к катушке, а в правой части равенства — член I²R представляет собой мощность, затрачиваемую на нагрев проводника, и член I²r_вп — часть подведенной электрической мощности, преобразованной в механическую и затраченной в механической системе на преодоление трения.

Если электрическое и механическое сопротивления реактивны, то в правой части выражения (9) получим сумму величин — кажущейся электрической мощности в катушке и кажущейся электрической мощности, перешедшей в кажущуюся механическую мощность.

Таким образом, вносимое сопротивление отображает ту часть подводимой мощности, которая преобразовывается в другой ее вид.

Аналогично могут быть получены выражения для коэффициента электромеханической связи и вносимого сопротивления для электростатического и пьезоэлектрического преобразователей.

Электростатический преобразователь состоит из неподвижной и подвижной обкладок, находящихся на расстоянии d. При приложении к ним постоянного напряжения U₀ и переменного напряжения частоты ω подвижная обкладка начнет колебаться с той же частотой Коэффициент электромеханической связи будет

K = U₀/(ωd) (10)

Для пьезоэлектрического преобразователя с изгибной деформацией, представляющего собой пластинку длиной l и толщиной h, колеблющуюся при приложении к ней переменного напряжения частоты ω коэффициент электромеханической связи будет

K = K₀l²/(ωh²)

где K₀ — коэффициент пьезоэффекта.