Микрофоны

1. Общие сведения о микрофонах

2. Основные характеристики микрофонов

3. Классификация микрофонов по характеристике направленности

4. Классификация микрофонов по типу преобразователя

5. Классификация микрофонов по конструктивному исполнению

 

 

1. Общие сведения о микрофонах

Микрофон - электроакустический прибор, осуществляющий преобразование акустических колебаний на входе в электрические колебания на выходе.

Микрофон является первичным элементом в звукоусилительной цепи включающей также усилитель и громкоговоритель. Микрофоны имеют повсеместное применение, используются:

В СОУЭ микрофон применяется в качестве технического средства. осуществляющего ручное, полуавтоматическое и дистанционное оповещение.

Устройство микрофона

На рис.1 изображена упрощенная схема функционирования микрофона.

 

Рис.1 - Упрощенная схема функционирования микрофона

В микрофоне можно выделить следующие подсистемы:

Акустическая подсистема, иногда называемая антенной, характеризует микрофон как приемник звука. Звуковое давление от источника звука, воздействуя на антенну, вызывает механическую силу, определяемую размером, формой корпуса (капсюля) микрофона, расстоянием от источника до микрофона, углом падения звуковой волны относительно акустической оси микрофона (акустическая ось микрофона, иногда называемая рабочей осью, как правило, совпадает с его физической и геометрической осью).

Акустико-механическая подсистема служит для согласования силы (энергии), формируемой приемником (антенной), с реакцией подвижного элемента преобразователя (например, смещением диафрагмы конденсаторного микрофона). Данная подсистема определяет частотную характеристику (чувствительности) и характеристику направленности микрофона.

Электромеханическая подсистема представляет собой устройство, преобразующее механические колебания подвижного элемента в электродвижущую силу (ЭДС). Эффективность и стабильность работы преобразователя зависит от ряда факторов, например, от площади мембраны.

Электрическая подсистема (как правило, представляется в виде электрической схемы) выполняет функцию согласования электрической части подсистемы с звукоусилительным устройством. В конденсаторных микрофонах, например, большое емкостное сопротивление капсюля д.б. согласовано с низкоомным входом предусилителя. Данная подсистема определяет такой параметр, как собственный шум микрофона.

Классификация микрофонов

Классификация микрофонов изображена на рис. 2.

 

Рис.2 - Классификация микрофонов

Микрофоны классифицируются по следующим признакам:

 

 

2. Основные характеристики микрофонов

Микрофоны характеризуются следующими параметрами:

Чувствительность микрофона

Чувствительность микрофона M может быть представлена как отношение напряжения электрического сигнала на выходе Uвых к звуковому давлению на входе Pвх. На практике чувствительность микрофона измеряют в дБ:

 

M = 20 lg Uвых / Pвх,

 

где:

Чувствительность микрофона определяется чувствительностью всех подсистем и существенно зависит от конструкции микрофона (формы корпуса), а также угла (θ) падения звуковой волны.

 

 

3. Классификация микрофонов по характеристике направленности

Когда микрофон находится в различных положениях относительно источника звука, его чувствительность меняется. Зависимость чувствительности от угла определяется коэффициентом направленности. В зависимости от коэффициента направленности микрофоны можно разделить на направленные и ненаправленные. Направленные микрофоны имеют высокую чувствительность в одном направлении, обеспечивающую высокую дальность приема. Не направленные микрофоны имеют меньшую чувствительность равномерную по всем направлениям, используются для минимизации влияния посторонних шумов.

Направленность микрофона определяется несколькими параметрами (характеристиками).

Направленность микрофона R(θ) определяется его чувствительностью M(θ) при произвольном угле падения звука (θ) к его чувствительности на рабочей оси (при, θ = 0°), измеренных:

Данная зависимость называется характеристикой направленности микрофона (ХН):

 

R(θ) = M(θ) / M(0),

 

где:

Коэффициент направленности Ω определяется как отношение квадрата осевой чувствительности микрофона M(0) (в условиях свободного поля) к квадрату чувствительности, усредненной по всем направлениям Mср, измеренных на одной и той же частоте или в полосе частот:

 

Ω = M(0)2 / Mср2.

 

Для практической оценки направленности микрофона используется величина, называемая индексом направленности I, дБ:

 

I = 10 lg Ω = 20 lg (M(0) / Mср).

 

В зависимости от ХН микрофоны делятся на:

ХН, представляемая в полярных координатах, называется диаграммой направленности (иногда, чувствительности) микрофона (ДН). На рис.3 представлены примеры ДН.

Восьмерка

Кардиоида

Гиперкардиоида

Рис. 3 - Примеры диаграмм направленности микрофона

Ненаправленные микрофоны - микрофоны с круговой ДН, во всех направлениях имеют одинаковую, как правило, небольшую чувствительность. Микрофоны с данной направленностью хорошо справляются с посторонними шумами и используются в тех случаях, когда источник звука меняет направление. Данные микрофоны применяются для подзвучивания на концертах, используется для звукозаписи, например, при работе журналистов на улице в ветреную погоду.

Двунаправленные микрофоны – восьмерочные имеют одинаковую чувствительность в обоих направлениях вдоль рабочей оси и минимальную по бокам. Возможное применение такого микрофона – запись разговора во время интервью или конференции.

Направленные микрофоны – однонаправленные или кардиоидные – характеризуются максимальной чувствительностью в широком фронтальном угле раскрыва. Такие микрофоны имеют повсеместное применение.

Узконаправленные микрофоны – суперкардиоидные имеют высокую чувствительность в прямом направлении (вдоль рабочей оси) и в узкой диаграмме направленности. Такие микрофоны используются для записи или усиления звука от удаленного источника.

Остронаправленные микрофоны – гиперкардиоидные имеют самую большую направленность среди всех микрофонов. Данные микрофоны практически не захватывают посторонние отражения и шумы, используются в специальных целях.

Характеристики направленности микрофонов, в зависимости от ДН, можно представить в виде таблицы (см. Таб.1).

 

Таблица 1
Характеристики направленности микрофона в зависимости от ДН

 

 

4. Классификация микрофонов по типу преобразователя

В зависимости от типа преобразования акустической энергии на входе в электрический сигнал на выходе, микрофоны делятся на:

Угольные микрофоны

Угольные микрофоны — один из первых типов микрофонов. Угольный микрофон содержит угольный порошок, размещённый между двумя металлическими пластинами и заключённый в герметичную капсулу. Одна из металлических пластин (стенок капсулы) соединяется с мембраной. Звуковое давление, воздействуя на мембрану, давит на угольный порошок (изменяя площадь контакта между отдельными зёрнышками угля), меняя сопротивление между металлическими пластинами. Напряжение между пластинами при пропускании постоянного тока будет пропорционально давлению на мембрану.

Пьезоэлектрические микрофоны

Работа данного микрофона основана на пьезоэлектрическом эффекте. При деформации некоторых кристаллов на их поверхности возникают электрические заряды, величина которых пропорциональна деформирующей силе. Пластинки из искусственно выращенных кристаллов служат основным рабочим элементом пьезоэлектрических микрофонов. Достоинствами пьезоэлектрических микрофонов являются простота устройства, малый вес и габариты, а также небольшая стоимость, но по своим электроакустическим и эксплуатационным свойствам пьезоэлектрические микрофоны уступают конденсаторным и электродинамическим микрофонам.

Наибольшее распространение на сегодняшний день получили три типа микрофона: динамический и конденсаторный и электретный.

Динамические микрофоны

Динамический микрофон – приемник давления, представляющий собой электромеханическую колебательную систему, работающую по принципу электромагнитной индукции.

Основной компонентой динамического микрофона является диафрагма, движущаяся (осциллирующая) в магнитном поле. Диафрагма жестко связана с катушкой, помещенной в магнитное поле. Под действием звукового давления она начинает колебаться, создавая на выходе ЭДС, соответствующую характеру воздействий (колебаний), рис.4.

 

Рис.4 - Принцип функционирования динамического преобразователя

Диафрагма – несколько витков провода намотанных на цилиндрический каркас, помещенный в кольцевой зазор магнитной цепи. Магнитная цепь включает также постоянный магнит с полюсным наконечником и стакан из мягкой стали направляющие магнитный поток. В воздушном зазоре между фланцем и магнитом создается сильное магнитное поле радиального направления. Катушка при помощи упругого подвеса располагается в середине кольцевого зазора, не касаясь ни стакана, ни керна (постоянного магнита), что и обеспечивает возможность неискаженных колебаний вдоль рабочей оси.

К преимуществам динамического микрофона можно отнести его низкую стоимость, механическую прочность. Широкое применение имеют ненаправленные динамические микрофоны, имеющие меньшую подверженность обратной связи. Данный тип широко используется тележурналистами, а также на концертных выступлениях. Его основным достоинством является прочность и низкая цена.

Недостатком динамических микрофонов является искажение (неравномерность) АЧХ в области верхних частотах, ухудшающее восприятие. Это связано с инерционностью достаточно массивной мембраны.

Конденсаторные микрофоны

В конденсаторном микрофоне (КМ) используется электростатический преобразователь – преобразователь конденсаторного типа. Жестко закрепленная обкладка КМ выполнена в виде перфорированного диска (электрода) из металла. Функции диафрагмы выполняет вторая мембрана – пластина, сделанная из фольги и движущаяся под воздействием звукового давления (P). Диафрагму иногда называют мембраной микрофона.

На рис.5 изображена упрощенная электрическая схема подключения капсюля КМ к предварительному усилителю (ПУ).

 

Рис.5 - Принцип функционирования конденсаторного микрофона

Звук, попадая на мембрану, заставляет её колебаться, расстояние между обкладками изменяется, что приводит к изменению ёмкости конденсатора C0. Емкость конденсатора C0 определяется:

 

C0 = ε0* S / δ,

 

где:

Так как заряд любого конденсатора Q=C0*U0 остается постоянным, то изменение ёмкости конденсатора C0 приводит к изменению напряжения. При Rн*C0 > 1/fн, где fн – низшая граница частотного диапазона, напряжение на нагрузочном сопротивлении (входном сопротивлении предусилителя) Rн изменяется в зависимости от смещения мембраны ξ

 

U = U0 - (U0 * ξ / δ,

 

Из данной формулы видно, что величина изменения напряжения пропорциональна величине ее смещения ξ.

КМ называют микрофонами с внешней поляризацией. Для работы такого микрофона на обкладки конденсатора подается напряжение U0, называемое опорным. Если данное напряжение поступает от ПУ, оно называется фантомным. Фантомное напряжение на КМ поступает по информационному кабелю. Следует обратить внимание, что КМ различаются как по уровню, так и по способу подачи (фантомного) питания. При использовании КМ необходимо строго соблюдать требования по эксплуатации.

К достоинствам КМ следует отнести высокую чувствительность и равномерность (гладкость) АЧХ.

Недостатком КМ является чувствительность к перегрузкам по входу, они считаются легко возбудимыми.

Электретные микрофоны

Электретные микрофоны – микрофоны с внутренней поляризацией на сегодняшний день получили достаточно широкое распространение .

Принцип действия данного микрофона очень схож с КМ, но в отличии от последнего электретный микрофон не нуждается в опорном напряжении U0 (см. рис.5). Это происходит за счет использования электрета (electret) – поляризационного диэлектрика, использующего различные полимеры (например, поливинилхлорид). Электрет размещается либо в мембране, либо в виде пленочной основы (нанесенного слоя) в неподвижном электроде и обладает очень большой плотностью заряда и временем его сохранения. При изменении заряда конденсатора C0 возникает напряжение на выходе.

Электретные микрофоны имеют те же преимущества, что и конденсаторные микрофоны, но имеют меньшую стоимость.

 

 

5. Классификация микрофонов по конструктивному исполнению

По конструктивному исполнению микрофоны можно разделить на:

К данной категории можно отнести и радиомикрофоны.

Примеры конструктивного исполнения изображены на рис.6.

 

Рис.6 - Примеры конструктивного исполнения микрофонов

Встраиваемые микрофоны

Данные микрофоны имеют различное исполнение и встраиваются непосредственно в техническое устройство (в устройства записи, переговорной, селекторной связи и т.д.). Встраиваемые микрофоны должны иметь высокую чувствительность, поэтому, как правило, это конденсаторные микрофоны с широкой односторонней направленностью (кардиоидные).

Ручные микрофоны

Ручные микрофоны можно разделить на вокальные и микрофоны тангетного типа (см. рис.6, справа).

Микрофоны тангетного типа широко используются для экстренных или служебных объявлений. Конструктивной особенностью данного микрофона является наличие клавиши (кнопки) – тангенты, размещаемой на корпусе и предназначенной для оперативного включения/отключения звука. Тангента снабжается пружинным механизмом, позволяющим автоматически сбрасывать (отключать) кнопку включения. Данная функция позволяет повысить надежность работы, особенно в случае высокоприоритетного использования (в случае подключения данного микрофона к высокому приоритету системы связи или оповещения).

Радиомикрофон

Радиомикрофон (РМ) представляет собой систему, состоящую из микрофона, малогабаритного передатчика, антенны и стационарного приемника (см. рис.6), предоставляющие пользователю свободу перемещения. Сам микрофон, в зависимости от способа применения, может иметь различную конструкцию:

Приемник радиомикрофона – отдельное устройство, снабженное одной или двумя антеннами. Радиоприемники работают, как правило, в УКВ диапазоне. В РМ используется принцип ВЧ модуляции. Звуковой сигнал от капсюля микрофона поступает на модулятор и передатчик, передается в эфир, далее поступает на приемник, детектируется и усиливается.

Современные РМ работают на дистанции 100-150м, используют принцип частотной модуляции , являющийся наиболее устойчивым к помехам. В последнее время появились модели РМ, использующие двух-поляризационный принцип, позволяющий увеличить стабильность приема. В такой системе два (ЧМ) сигнала различной поляризации передаются одновременно по двум каналам, повышая, тем самым, вероятность его приема (на двухантенный приемник). РМ имеют широкое применение, однако уступают проводным микрофонам по характеристикам, прежде всего из-за помех.

Настольные микрофоны

Работу и конструктив настольного микрофона рассмотрим на конкретном примере. На рис.7, изображен настольный микрофон ITC-ESCORT T-621.

 

Рис.7 - Конструктив микрофона, на примере модели ITC-ESCORT T-621

Настольный микрофон ITC-ESCORT T-621 предназначен для подачи речевых объявлений. Включение/отключение микрофона осуществляется кнопкой, размещенной на передней панели корпуса-подставки. При включении микрофона загорается индикатор, размещенный над кнопкой включения, а также светящееся кольцо, размещенное под капсюлем. Включение микрофона сопровождается гонгом (сигналом привлечения внимания). На дне подставки размещается включатель/выключатель, а также уровень громкости гонга. Микрофон может питаться как от адаптера, так и от батареи 9В (типа “Крона”) размещаемой в нижней части подставки под крышкой. Микрофон комплектуется источником питания – адаптером постоянного напряжения ±12В, микрофонным шнуром, дополнительным ветрозащитным чехлом.

Конструктивно микрофон представляет собой набор, состоящий из подставки настольного исполнения, к которой при помощи разъема крепится капсюль, соединенный с "гусиной шеей" и гибким держателем. Защитная сетка обеспечивает первичную защиту капсюля микрофона. В микрофоне применен капсюль электретного типа, обеспечивающий высокую чувствительность и минимальную неравномерность в заявленном частотном диапазоне.

 

 

© 2015, О. Кочнов