Мембрана - гибкая тонкая плёнка, приведённая внешними силами в состояние натяжения и обладающая вследствие этого упругостью. Мембрана относится к двухмерным колебательным системам с распределёнными параметрами. Собственные (свободные) колебания мембраны представляются системами стоячих волн.

В телефонах мембрана, создающая звук, находится возле полюсных наконечников магнита и опирается на бортики корпуса, как показано на рисунке 1.

На рисунке 1 Ф₀ - поток создаваемый постоянным магнитом, Ф_~ - поток создаваемый электромагнитом.

В покое, то есть при отсутствии тока в обмотках электромагнита, мембрана притянута к сердечникам под действием потока, создаваемого постоянным магнитом, имеет небольшой прогиб в сторону сердечников и неподвижна. При одном направлении тока, когда направления магнитных силовых линий катушек и магнита совпадают и их поля складываются, мембрана сильнее притягивается к полюсам магнита. При другом направлении тока силовые линии катушек и магнита направлены встречно и общее поле становится слабее, чем поле магнита. В этом случае мембрана слабее притягивается полюсными наконечниками и, выпрямляясь, несколько удаляется от них. Появление переменного электрического тока в обмотках электромагнита создает в сердечнике дополнительный переменный магнитный поток, имеющий направление совпадающее, либо противоположное направлению потока, создаваемого постоянным магнитом. Под действием результирующего (суммарного) потока, мембрана телефона совершает колебательные движение, совпадающее с изменениями электрического тока, поступающего в обмотку электромагнита. Сила, действующая на мембрану, определяется выражением:

где k_n - коэффициент пропорциональности. Сила F представляет собой геометрическую сумму трех сил: 

- воздействует на мембрану телефона с угловой частотой, совпадающей с частотой тока, протекающего по виткам обмотки телефона; - приводит к нелинейным искажениям, так как сообщает мембране колебание с удвоенной частотой; - постоянная сила, обеспечивает прогиб мембраны в сторону постоянных магнитов.

Колебательные движения мембраны создают распространяющиеся колебательные движения частиц воздуха, воспринимающиеся ухом человека как звук.Чувствительность телефона зависит от положения мембраны относительно полюсных наконечников магнита. Наилучшая чувствительность его будет в том случае, когда мембрана находится очень близко к полюсным наконечникам, но, вибрируя, не прикасается к ним.

 

Необычным примером использования мембраны является история иобретения фонографа т.Эдисоном. Американский изобретатель специально не занимался вопросом записи звуковых колебаний. Он работал над проблемой фиксации звуковой информации поступающей по телефону. Мысль о возможности записи звуковых колебаний пришла к Т. Эдисону во время экспериментов по увеличению громкости телефона конструкции А. Белла. Т. Эдисон как-то вспоминал, как он пришел к изобретению фонографа: "Однажды, когда я еще работал над улучшением телефона, я как-то запел над диафрагмой телефона, к которой была припаяна стальная игла. Благодаря дрожанию пластинки игла уколола мне палец, и это заставило меня задуматься. Если бы можно было записать эти колебания иглы, а потом снова провести иглой по такой записи, отчего бы пластинке не заговорить?" Это и стало той отправной точкой, которая позволила построить логическую цепь изобретения конструкции аппарата для записи и воспроизведения звука. Дальнейший ход его мыслей был такой. Если прикрепить к мембране телефона острую иглу, например, штифт от телеграфного аппарата Морзе, и во время разговора, подложить под нее движущуюся бумажную ленту, то на бумаге останутся следы в виде вмятин. Если после этого, ленту со следами протянуть под иглой, то мембрана телефона должна заколебаться при ее касании следов на ленте и тем самым, воспроизвести записанный звук. После этого Томас Альва обратился к помощнику со словами: "Поезжайте в Нью-Йорк, привезите мне оттуда 3 фунта круглой стали, 1 1/3 дюйма в поперечнике, и также кусок медной проволоки, 4 дюйма в поперечнике и 6 или 8 дюймов длиною, и мы с вами сделаем дело". Через 24 часа был сделан вращающийся цилиндр с рукояткой и простая мембрана с иглой. Аппарат был готов для испытаний, после того, как цилиндр обвернули листом олова.

Иным примером является создания акустической микросхемы. В основе и микрофона, и телефона лежат колеблющиеся мембраны, которые в микроэлектромеханических системах (МЭМС) могут иметь вид квадратов со стороной до 0,5 мм. Колебания мембраны преобразуются в электрическое напряжение, соответствующее высоте и громкости, скажем, лая собаки или стука падающей монеты.

Телефоном называют прибор, предназначенный для преобразования электрических сигналов в звуковые и рассчитанный для работы в условиях нагрузки на ухо человека. В зависимости от конструктивных особенностей телефоны подразделяют на электромагнитные, электродинамические, с дифференциальной магнитной системой и пьезоэлектрические. В телефонных аппаратах наибольшее распространение получили телефоны электромагнитного типа. В таких телефонах катушки закреплены неподвижно. Под действием протекающего в катушках тока возникает переменное магнитное поле, приводящее в движение подвижную мембрану, которая и излучает звуковые колебания. В современных телефонных аппаратах применяют в основном телефонные капсюли типа ТК-67, а в аппаратах устаревших конструкций – также ТК-47 и ТА-4.

Полоса рабочих частот для микрофонов и телефонов, используемых в телефонных аппаратах, составляет примерно 300...3500 Гц. На принципиальных схемах телефон обозначают латинскими буквами BF.

Принцип электромагнитного преобразования используется теперь только в телефонах (если не считать особого случая их применения в специальных микрофонах слуховых аппаратов). Известный из истории репродуктор больше не применяется. Частотная характеристика телефона определяется резонансом системы, состоящей из массы якоря и жесткости диафрагмы. Высокочастотные резонансы диафрагмы приводят к неравномерной чувствительности. Неравномерность компенсируется акустическим демпфированием и установкой дополнительных резонаторов, настроенных на диапазон передачи. На рисунке 1 показаны одна из новых конструкций телефона и его частотная характеристика.

 

Принцип действия фонографа, изобретенного Т. Эдисоном, состоял в преобразовании акустических колебаний воздуха в механические колебания резца и фиксации этих колебаний на движущемся носителе записи. Запись звука проводилась на вращающемся барабане, покрытом оловянной фольгой. В фольге вырезалась стальной иглой звуковая канавка в виде цилиндрической спирали. Игла крепилась к мембране, установленной в вершине конуса рупора. Во время записи, звуковые волны вызывали колебания мембраны, а вместе с ней и иглы, которая оставляла на звукозаписующем слое точечные отметины, своеобразные звуковые следы. Модуляция звука была связана с глубиной канавки. При воспроизведении звука происходил обратный процесс. Закрепленная на мембране игла проходила по модулированной канавке и передавала механические колебания мембране, которая в свою очередь возбуждала колебания окружающего воздуха. Громкость фонограмм была небольшой, в связи с этим приходилось пользоваться слуховыми трубками, наподобие медицинского фонендоскопа. В дальнейшем, для озвучивания небольших помещений, на фонограф стали устанавливать металлические рупоры. Во время записи и воспроизведения фоновалик необходимо было вращать вручную со скоростью примерно 1 об/мин, при этом шаг винтовой бороздки составлял около 3 мм.

Мембраны изготавливаются путем создания тонких проводящих и изолирующих слоев металла или двуокиси кремния (SiO₂) на кремниевую подложку с последующим их травлением. В ходе литографического процесса и процесса травления, применяемых для изготовления мембран, формируется сетка из металлических проводников, пространство между ними заполняется двуокисью кремния. После того как слой за слоем изготавливаются другие элементы, сетка оказывается на поверхности. Затем с помощью газовой плазмы вытравливается подложка и образуется воздушная полость, обеспечивающая вновь созданной структуре возможность свободно колебаться. Наконец вся сетка покрывается полимером, на чем изготовление мембраны завершается (рис. 1).