Перепонная барабанка¶
Перепонная барабанка — тонкая мембрана (перепонка), натянутая на ободке цилиндрического корпуса (барабана) и служащая звукопринимающим или звукоизлучающим элементом акустических приборов и музыкальных инструментов. Перепонная барабанка преобразует механические колебания в звуковые волны или, обратно, звуковые колебания воздуха — в механические колебания, которые затем усиливаются и регистрируются. Наиболее известные примеры перепонных барабанок — барабанная перепонка (барабанная перепонка уха) у млекопитающих, включая человека, а также перепонки телефонных капсюлей, микрофонов, громкоговорителей и некоторых музыкальных инструментов.
¶Устройство и принцип работы
Перепонная барабанка представляет собой тонкую пластину круглой формы, закреплённую по краю на жёстком ободе. В зависимости от назначения перепонка изготавливается из различных материалов: тонкой плёнки, бумаги, металлической фольги, кожи, синтетических полимеров или биологических тканей. Центральная часть перепонки, как правило, малоподвижна, а наибольшая амплитуда колебаний приходится на центр, что обеспечивает эффективное взаимодействие с воздухом или с механической передающей системой.
Колебательная система «перепонка + воздушный объём корпуса» обладает собственной резонансной частотой, определяемой массой перепонки, её натяжением, площадью и объёмом полости под ней. При совпадении частоты возбуждающего воздействия с резонансной частотой амплитуда колебаний перепонки резко возрастает, что приводит к максимальной громкости издаваемого звука или максимальной чувствительности при приёме звука.
¶Биологическая перепонная барабанка
Основная статья: Барабанная перепонка
У человека и большинства млекопитающих перепонная барабанка (барабанная перепонка, membrana tympani) — это тонкая трёхслойная мембрана толщиной около 0,1 мм, расположенная на границе наружного и среднего уха. Наружная поверхность перепонки выстлана кожей, внутренняя — слизистой оболочкой, между ними располагается фиброзный слой, придающий перепонке упругость. Площадь перепонки у взрослого человека составляет примерно 55—90 мм².
Перепонка принимает звуковые колебания воздуха в наружном слуховом проходе и передаёт их через цепь слуховых косточек (молоточка, наковальни и стремечка) на овальное окно преддверия внутреннего уха. Механизм работы основан на площадном отношении: площадь барабанной перепонки примерно в 17 раз больше площади стремечка, что обеспечивает гидравлическое усиление давления звука при передаче из воздушной среды во внутреннее ухо, заполненное жидкостью. Повреждение перепонки (перфорация) приводит к снижению слуха на 20—30 дБ и требует медицинского вмешательства.
¶Перепонные барабанки в музыкальных инструментах
Перепонка как звукоизлучающий элемент используется в ряде музыкальных инструментов:
- Барабаны — мембранные ударные инструменты, у которых перепонка (кожаная или синтетическая) натянута на цилиндрический корпус. К этой группе относятся малый барабан, большой барабан, том-томы, литавры и другие инструменты ударной установки.
- Барабаны-литавры — снабжены механизмом натяжения перепонки, позволяющим изменять высоту тона.
- Мембранофоны — по классификации Хорнбостеля — Закса, категория инструментов, звук которых возникает от колебания натянутой перепонки.
- Мундштуковые перепонки — используются в духовых инструментах, например, в кларнете с британской системой (система Альберта) и в некоторых видах гобоя.
¶Перепонные барабанки в технике
¶Микрофоны и капсюли
В микрофонах перепонная барабанка служит преобразователем звуковых колебаний в электрический сигнал. В динамических микрофонах перепонка соединена с катушкой, расположенной в магнитном поле; колебания перепонки заставляют катушку двигаться, индуцируя электрический ток. В конденсаторных микрофонах перепонка является одной из пластин конденсатора, а изменение расстояния между пластинами приводит к изменению ёмкости и, соответственно, к электрическому сигналу.
¶Громкоговорители
В динамиках перепонка (обычно из бумаги, полимеров или тканей) колеблется под действием электрического сигнала, передаваемого через катушку в магнитном поле, и воспроизводит звук. Размер и материал перепонки определяют частотный диапазон динамика: большие перепонки используются для воспроизведения низких частот, малые — для высоких.
¶Телефонные аппараты
В телефонных капсюлях перепонная барабанка преобразует электрические импульсы в звуковые колебания. В первых телефонных аппаратах, созданных в 1870-х годах, перепонка была выполнена из тонкой металлической фольги.
¶Акустические датчики
Перепонные барабанки применяются в манометрах, датчиках давления, сейсмографах и других измерительных приборах, где требуется преобразование давления или механической силы в измеримый сигнал.
¶История
Принцип перепонного излучателя звука использовался человеком с древнейших времён — кожаные мембраны натягивались на полые корпуса для усиления звука. Научное изучение перепонных систем началось в XVII—XVIII веках в связи с развитием акустики и теории музыкальных инструментов. В XIX веке с изобретением телефона (Александр Белл, 1876) и громкоговорителя перепонные барабанки стали элементом массовых технических устройств. В XX веке разработка новых материалов — синтетических плёнок, полимерных мембран и композитов — позволила создавать перепонки с заданными акустическими свойствами.
¶Примечания
Источники:
- Физическая энциклопедия — статья «Барабанная перепонка»
- Большая медицинская энциклопедия — статья «Ухо, анатомия»
- Хорнбостель Э., Закс К. «Классификация музыкальных инструментов» (1914)
- Раппопорт П. М. «Устройство музыкальных инструментов»
- Савельев И. В. «Курс общей физики» — раздел «Акустика»