Автор:
Ирина АлдошинаДата первой публикации:
окт 2010Термины и определения. История.
В предыдущих статьях были рассмотрены такие виды электроакустической аппаратуры как громкоговорители, акустические системы и стереотелефоны. Следующая серия статей будет посвящена такому важнейшему для современной аудиотехники виду аппаратуры как микрофоны. Предполагается рассмотреть историю микрофонов, основные параметры и методы измерений, особенности конструкции, а также микрофонные стереосистемы и микрофоны для пространственных систем звукозаписи (Surround Sound).
Микрофон является первичным звеном в системах звукозаписи и звукоусиления (в студийных условиях, концертных залах, стадионах, производственных помещениях и др.). Выбор его параметров в значительной степени определяет качество звучания музыки и речи, которые с помощью систем радиовещания, телевидения, мультимедиа, звукозаписи и др. передаются многомиллионной аудитории слушателей. Именно поэтому к микрофонам выдвигаются особые требования по техническим, конструктивно-эстетическим характеристикам и надежности.
В соответствии с действующими международными рекомендациями IEC 268-4 и отечественным стандартом ГОСТ 16123-88 определение микрофона вводится следующим образом: "Микрофон — устройство, с помощью которого акустические колебания воздушной среды преобразуются в электрические колебания". Микрофон состоит из чувствительного элемента (капсюля) и согласующего устройства. Блок питания, предварительный усилитель и соединительные кабели входят в комплект микрофона, если они являются его неотъемлемой частью и указаны в технической документации на микрофон конкретного типа.
Современный микрофон имеет довольно сложное устройство. Пример одной из конструкций микрофона фирмы AKG показан на рис. 1: он включает в себя капсюль конденсаторного типа, предусилитель, защитный экран, систему амортизаторов для крепления капсюля, разъемы, корпус с защитной решеткой и т. д. В конструкции цифрового микрофона, например, в модели Solution-D — одной из последних разработок фирмы Neumann, вместо предварительного усилителя в корпусе установлен аналого-цифровой преобразователь и цифровой процессор для предварительной обработки звука. Многообразие конструкций микрофонов, выпускаемых в настоящее время, чрезвычайно велико и продолжает постоянно увеличиваться.
ИсторияИз всех видов электроакустических преобразователей, используемых в современной аудиотехнике, микрофон имеет самую длинную историю. Само название "microphone" было предложено в 1827 году английским ученым Чарльзом Уитстоуном (Charles Wheatstone) и происходит от греческих слов "micro" (малый) и "phone" (звук).
Создателем первой конструкции микрофона можно считать немецкого физика Иоганна Рейса (Johann Reis), в 1861 году описавшего звуковой приемник, в котором металлический стержень, находящийся в контакте с мембраной, был включен в электрическую цепь. При движении мембраны контакт периодически размыкался, создавая в цепи переменный ток. Идея эта была продолжена американскими изобретателями Александром Беллом (Alexander Bell) и Эмилем Берлинером (Emile Berliner), последний в 1877 году запатентовал конструкцию микрофона, построенную по такому же принципу (рис. 2). Однако качество передачи речи было довольно низким.
Значительным шагом вперед была конструкция микрофона, запатентованная в 1876 году знаменитым изобретателем А. Беллом, которая представляла собой "жидкостный передатчик" (рис. 3). Принцип его устройства был довольно прост: в металлический сосуд был налит водный раствор с небольшим количеством серной кислоты, в котором "плавала" пергаментная диафрагма с присоединенной иглой (позднее — медным стержнем). Когда человек говорил в рупор, диафрагма начинала двигаться вверх-вниз, игла больше или меньше погружалась в раствор, и соответственно менялось сопротивление электрической цепи, к которой был подключен сосуд (изменение сопротивления было обратно пропорционально размеру мениска вокруг погруженной в раствор иглы). Такой "микрофон" был продемонстрирован на выставке в Филадельфии в 1876 году и подтолкнул целую группу изобретателей (Э. Берлинера, Д. Хьюга и Т. Эдисона) к созданию угольного микрофона.
Угольный микрофон, запатентованный в 1886 году Томасом Эдисоном, представлял собой чашку (рис. 4), заполненную угольными гранулами, сверху находилась металлическая диафрагма. Электрическое напряжение, приложенное между электродами, обуславливало слабый постоянный ток через гранулы. Когда диафрагма начинала колебаться под действием падающей звуковой волны, гранулы сжимались, увеличивалась площадь контактов между ними, и электрическое сопротивление между электродами падало. В результате изменения сопротивления под действием звукового сигнала на выходе трансформатора появлялся переменный ток, который усиливался и подавался к другим элементам оборудования.
Такие микрофоны имели узкий диапазон воспроизводимых частот, значительные нелинейные искажения, со временем в них появлялось большое количество тресков и шумов и т. д. Однако они были очень просты в изготовлении, создавали достаточно высокий уровень выходного сигнала (что позволяло использовать их без усилителя) и поэтому получили очень широкое распространение, особенно в телефонии. Один из образцов угольного микрофона показан на рис. 5. Массовое производство таких микрофонов продолжалось примерно до 1920 года, однако для некоторых специальных целей (в основном, для телефонов) они используются до настоящего времени.
Поиски новых принципов преобразования для микрофонов постоянно продолжались. В 1917 году Эдвард Венте (Edward Wente) в лаборатории Bell Labs (США) создал конденсаторный микрофон, который использовался вначале только для измерительных целей. С 1926 года BBC начала применять такого типа микрофоны в радиовещании, чему помогло появление ламповых усилителей (способных работать на емкостной нагрузке), изобретенных в 1907 году Ли де Форестом (Lee De Forest). В 1932 году Neumann создал модель конденсаторного микрофона CMV3, которая затем модифицировалась в модель М-7 и др. В 1947 году компания AKG представила свою первую модель лампового конденсаторного микрофона C1 (который затем модифицировался в модель CK-12), а с 1962 года начала их массовое производство. Сейчас конденсаторные микрофоны составляют основную долю в промышленном выпуске и широко используются в звукозаписи, радиовещании, на телевидении и др.
Принцип их устройства довольно прост — он представляет собой плоский конденсатор, состоящий из двух обкладок. Из них внешняя сторона, обращенная к источнику звука, выполнена в виде тонкой круглой металлизированной изнутри диафрагмы, скрепленной по окружности с кольцом из диэлектрика. Второй обкладкой конденсатора служит массивное металлическое основание. К обкладкам подводится постоянное поляризующее напряжение. Когда под действием звуковой волны диафрагма начинает колебаться, меняется емкость конденсатора, соответственно меняется заряд и генерируется переменный ток.
Конденсаторные микрофоны имеют ряд преимуществ, которые позволяют широко использовать их в студийной практике. К числу основных из них можно отнести следующие: низкий уровень переходных искажений (из-за малой массы диафрагмы), широкий частотный диапазон, малая чувствительность к магнитным помехам. Однако они обладают меньшей механической и климатической стойкостью, чем динамические микрофоны, требуют дополнительного напряжения поляризации и имеют более высокую стоимость.
Электродинамические микрофоны появились сравнительно поздно из-за отсутствия достаточно мощных постоянных магнитов, нужную величину напряженности магнитного поля приходилось создавать с помощью больших электромагнитов.
Первый ленточный электродинамический микрофон был сделан Гарри Олсоном (Harry Olson) примерно в 1930 году, хотя принцип его был описан раньше, в 1924 году (Эрвин Герлах и Вальтер Шотке на фирме Siemens). Промышленный образец появился в 1942 году в компании RCA (рис. 6). В нем использовалась слегка гофрированная металлическая ленточка, которая двигалась под действием звуковой волны в магнитном поле, между полюсами постоянных магнитов, при этом в ней индуцировался переменный электрический ток. Первая модель такого микрофона, RCA PB-31, а затем и PB44А произвели своего рода революцию в звукозаписи, поскольку позволяли получить значительно лучшие характеристики и качество звучания.
Микрофоны такого типа выпускаются до настоящего времени в относительно больших количествах. Они обеспечивают довольно широкий диапазон частот, чистое и "теплое" звучание, поэтому широко используются в звукозаписи.
Динамический катушечный микрофон был реализован Аланом Блюмлайном в 30-х годах на фирме EMI с применением электромагнитов (хотя идея такого микрофона была запатентована В. Сименсом еще в 1878 году). Он использовал диафрагму из целлюлозы, покрытой алюминиевой фольгой, и прикрепленную к ней катушку из анодированного алюминия. С 1936 года модель такого микрофона HB1A (рис. 7) начала использоваться в звукозаписи на новой телевизионной студии BBC и звукозаписывающей студии фирмы EMI.
Позднее, после войны, с появлением мощных постоянных магнитов начался промышленный выпуск динамических катушечных микрофонов на фирмах AKG, Neumann и др., и в настоящее время это один их самых массовых типов микрофонов.
Принцип действия электродинамических катушечных микрофонов основан на том, что при воздействии звуковой волны на легкую диафрагму она начинает колебаться и приводит в движение связанный с ней проводник (звуковую катушку), помещенный в постоянное магнитное поле. При движении проводника с током в магнитном поле в нем индуцируется электрический сигнал, который затем усиливается и передается для дальнейшей обработки.
Электродинамические микрофоны обладают рядом преимуществ: устойчивостью к перегрузкам, стабильностью работы в различных климатических условиях, прочностью конструкции и др.
Электретные пленочные микрофоны были разработаны Герхардом Сесслером (Gerhard Sessler) и Джеймсом Вестом (James West) в 1962 году на фирме Bell Labs. В них для подвижной диафрагмы использовалась тонкая металлизированная поляризованная пленка, способная держать заряд, что позволило отказаться от устройств, обеспечивающих высокое постоянное напряжение (фантомное питание) на пластинах конденсатора. Это значительно облегчило технологию их изготовления и снизило стоимость. Поэтому электретные преобразователи в настоящее время нашли широкое применение в петличных микрофонах, сотовых телефонах, компьютерах и др.
Наряду с совершенствованием принципов преобразования постоянно проводились работы по созданию микрофонов с регулируемой характеристикой направленности: первые конденсаторные и угольные микрофоны были ненаправленными, ленточный микрофон имел направленность в виде "восьмерки". Впервые на фирме Western Electric была создана конструкция микрофона с характеристикой направленности в виде кардиоиды, объединяющая в одном капсюле ленточный микрофон ("восьмерка") и динамический (ненаправленный). На фирмах Neumann, AKG и др. были разработаны модели конденсаторных микрофонов с двумя диафрагмами, позволяющими создавать различные варианты характеристик направленности (круг, кардиоида, восьмерка, суперкардиоида и др.). Компания AKG в 1953 году выпустила первую модель микрофона C-12 со сдвоенными мембранами, ламповым усилителем и специальным блоком, позволяющим переключать характеристики направленности. Он выпускался до 1963 года, затем на смену ему пришла модель ELAM 251, которая пользовалась популярностью почти до настоящего времени.
Таким образом, к концу XX века в практике звукозаписи использовались, в основном, микрофоны следующих четырех типов: конденсаторные, электретные, динамические катушечные и ленточные. Однако поиски новых принципов преобразования акустического сигнала в электрический продолжаются.
Одним из наиболее перспективных направлений, которым на протяжении последних нескольких лет занимаются фирма Sennheiser совместно с израильской фирмой Phone-Or, является создание оптических микрофонов.
Оптические микрофоны используют принцип модуляции интенсивности лазерного светового луча: луч света от лазерного источника направляется по оптоволокну и освещает мембрану микрофона. При колебаниях мембраны световой поток модулируется (по интенсивности) и направляется по второму оптоволокну на фотодиод, который преобразует сигнал в переменный ток (рис. 8). При таком принципе не используется преобразование колебаний мембраны непосредственно в электрический сигнал, как в обычных микрофонах. Мембрана может быть вообще размещена на расстоянии несколько десятков (сотен) метров от источника света и фотодиода из-за низких потерь при передаче сигнала по оптоволокну (потери составляют меньше 3 дБ на 1 км оптоволокна). Микрофон не производит никаких электромагнитных излучений (ни за счет капсюля, где в других типах микрофонов обычно размещен предусилитель, ни за счет кабелей), и сам нечувствителен к электромагнитным, электростатическим и радиоактивным полям. Из-за малых размеров он может быть размещен в любом труднодоступным месте (при этом его трудно обнаружить известными методами) и может работать в сильных магнитных, электрических или радиополях.
Кроме вышеперечисленных, относительно давно были созданы пьезоэлектрические микрофоны, в которых в качестве преобразователя используются или пьезоэлектрические кристаллы (например, типа PZT), или керамика (например, пластины из титаната бария). После поляризации они приобретают свойства преобразовывать механические деформации в электрический ток (по этому же принципу работают пьезосниматели в электромузыкальных инструментах). Такие микрофоны обладают хорошей стабильностью, воспроизводят диапазон 80-6500 Гц (есть варианты до 16 кГц), имеют высокий выходной импеданс порядка 100 кОм, что требует нагрузочного импеданса 1-5 МОм (это хорошо согласуется, например, с ламповыми усилителями), чувствительность -30 дБ. Примером такой конструкции может служить модель Electro-Voice 951 (рис. 9), выпущенная в 1966 году.
Применение новых технологий позволило создать сверхминиатюрные MEMS-микрофоны (MEMS — микроэлектромеханические системы). Они называются также "микрофонные чипы" или "кремниевые микрофоны". В них используется конденсаторный или пьезоэлектрический тип преобразования (ведутся работы по применению оптических и других способов преобразования). Технология их изготовления была представлена в 1994 году на конгрессе AES Герхардом Сесслером (Технический университет г. Дармштадт, Германия). На кремниевую подложку напыляется материал мембраны. На заднюю поверхность подложки наносится защитный слой. Затем со стороны задней поверхности гравируются (вытравливаются) V-канавки. Примеры кремниевого микрофона на двух склеенных подложках и на одной подложке показаны на рис. 10. На одной кремниевой подложке находится мембрана с металлизированным слоем и V-канавками, на другой выгравированы сплошные отверстия и она служит неподвижным металлизированным электродом. Обе подложки склеены. Между ними находятся прокладки для формирования воздушного зазора. Под действием звуковой волны мембрана колеблется, изменяется емкость конденсатора и создается переменный электрический сигнал. Для такого микрофона необходим источник постоянного напряжения. Сейчас изучаются способы создания микрофонных чипов с электретным и пьезоэлектретным принципом преобразования.
Преимуществами микрофонных чипов являются малые размеры (площадь мембраны ~1 кв. мм), возможность интегрировать в этот же микрофонный чип усилители, АЦП, цифровые процессоры и другие устройства, создавать на одном чипе решетку таких микрофонов и с помощью цифровых процессоров формировать их характеристики направленности. Основные производители MEMS-микрофонов — фирмы Analog Devices, Akustica (AKU200x), Infineon (SMM310), Knowles Electronics, Memstech (MSMx), NXP Semiconductors, Sonion MEMS, AAC Acoustic Technologies и Omron.
Наряду с развитием и совершенствованием принципов преобразования в микрофонах акустической энергии в электрическую, начиная с 30-х годов ХХ века шли работы по совершенствованию их конструкций, как в отдельных типах микрофонов, так и в создании микрофонных систем. В 30-е годы, после появления патента Блюмлайна, посвященного стереотехнике (в звукозаписи, радиовещании и др.), начали развиваться стереосистемы микрофонов: XY, MS и др. В 60-80-е годы появилось огромное многообразие конструкций: микрофоны пограничного слоя (PZM), параболические микрофоны, остронаправленные микрофоны (shotgun), петличные (lavalier), "искусственная голова" и многие другие.
Перевод аудиотехники на цифровые методы обработки привел к появлению нового поколения пространственных систем звукозаписи и звукопередачи (Surround Sound), что обусловило появление цифровых микрофонов (типа Neumann Solution-D) и специальных микрофонных систем (например, Soundfield).
Подробнее об этом будет рассказано в следующих статьях.
Промышленное производство микрофонов в настоящее время достигает десятков миллионов штук в год. Разработкой и производством микрофонов занимаются такие фирмы как Neumann, Sennheiser, Beyerdynamic, AKG, Shure, Sony, DPA, Октава и многие другие.
Другие статьи серии Микрофоны, часть 2. Параметры. Методы измерения. Микрофоны, часть 3. Классификация микрофонов. Микрофоны, часть 4. Классификация микрофонов по видам характеристик направленности. Микрофоны, часть 5. Стереосистемы микрофонов. Микрофоны, часть 6. Системы микрофонов для пространственной звукозаписи. Средняя оценка:www.moinf.info
Количество просмотров публикации Устройство и принцип действия микрофонов - 420
ЛЕКЦИЯ 7. Микрофоны
Микрофон — это устройство для преобразования акустических колебаний воздушной среды в электрические сигналы.
По способу преобразования колебаний микрофоны подразделяют на:
– электродинамические (ленточные и катушечные)
– электростатические (конденсаторные и электретные)
– электромагнитные, угольные и др.
По диапазону воспринимаемых частот:
– узкополосные (речевые)
– широкополосные (музыкальные)
По направленности:
– ненаправленные (круговые)
– двунаправленные (восьмеричные или косинусоидальные)
– однонаправленные (кардиоидные, суперкардиоидные, гиперкардиоидные),
– остронаправленные
По помехозащищенности:
– шумозащищенные
– обычного исполнения
Основные параметры микрофонов: номинальный диапазон частот, модуль полного электрического сопротивления, чувствительность, типовая частотная характеристика чувствительности, характеристика направленности.
Номинальный диапазон частот — тот диапазон частот, в котором микрофон воспринимает акустические колебания и в котором нормируются его параметры. Для профессиональных студийных целей обычно стремятся использовать микрофоны нулевой группы сложности высшей категории качества, для которых нормируется диапазон частот 20—20000 Гц. Микрофоны первой группы сложности должны иметь номинальный диапазон частот не менее 31,5—18000 Гц, второй группы 50—15000 Гц, третьей группы 63—12500 Гц.
Модуль полного электрического сопротивления (называемого также выходным или внутренним) нормируется на частоте 1 кГц. Сопротивление должна быть комплексным или активным. В случае если оно комплексное и, следовательно, зависимое от частоты, то приводят или модуль на частоте 1 кГц, или среднее значение по диапазону частот. Для микрофонов нулевой и первой групп сложности нормируется значение модуля полного электрического сопротивления 50 Ом и менее, 100 и 200 Ом, а для микрофонов второй и третьей групп сложности также еще и 2 кОм.
Чувствительность микрофона — это отношение напряжения U на выходе микрофона к воздействующему на него звуковому давлению р, выраженное в милливольтах на паскаль (мВ/Па): E=U/p.
Характеристика направленности R(q) — зависимость чувствительности микрофона в свободном поле на определенной частоте f от угла q между рабочей осью микрофона и направлением на источник звука.
Диаграмма направленности — это графическое изображение характеристики направленности, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ чаще всего приводят в полярных координатах.
Принцип действия электродинамического катушечного микрофона состоит в следующем. В кольцевом зазоре магнитной системы, имеющей постоянный магнит , находится подвижная катушка, скрепленная с диафрагмой. При воздействии на нее звукового давления, она вместе с подвижной катушкой начинает колебаться. В силу этого в витках катушки, перерезывающих магнитные силовые линии, возникает напряжение, являющееся выходным сигналом микрофона.
Электродинамический микрофон стабилен, имеет довольно широкий частотный диапазон, сравнительно небольшую неравномерность частотной характеристики.
Устройство ленточного электродинамического ленточного микрофона несколько отличается от устройства катушечной модификации. Здесь магнитная система микрофона состоит из постоянного магнита и полюсных наконечников, между которыми натянута легкая, обычно алюминиевая, тонкая (порядка 2 мкм) ленточка. При воздействии на обе ее стороны звукового давления возникает сила, под действием которой ленточка начинает колебаться, пересекая при этом магнитные силовые линии, вследствие чего на ее концах развивается напряжение. Так как сопротивление ленточки очень мало, то для уменьшения падения напряжения на соединительных проводниках оно подается на первичную обмотку повышающего трансформатора, размещенного непосредственно вблизи ленточки. Напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора является выходным напряжением микрофона. Частотный диапазон этого микрофона довольно широк, а неравномерность частотной характеристики невелика.
Для электроакустических трактов высокого качества наибольшее распространение в настоящее время получил конденсаторный микрофон. Принципиально он работает следующим образом. Жестко натянутая мембрана под воздействием звукового давления может колебаться относительно неподвижного электрода, являясь вместе с ним обкладками электрического конденсатора. Этот конденсатор включается в электрическую цепь последовательно с источником постоянного тока и активным нагрузочным сопротивлением. При колебаниях мембраны емкость конденсатора меняется с частотой воздействующего на мембрану звукового давления, в электрической цепи появляется переменный ток той же частоты и на нагрузочном сопротивлении возникает падение напряжения, являющееся выходным сигналом микрофона. Конденсаторные микрофоны имеют самые высокие качественные показатели: широкий частотный диапазон, малую неравномерность частотной характеристики, низкие нелинейные и переходные искажения, высокую чувствительность и низкий уровень шумов.
Принцип действия электретных микрофонов аналогичен принципу действия конденсаторных микрофонов, с тем отличием, что для их работы не требуется внешний источник питания. Мембрана таких микрофонов получает электрический заряд в процессе производства, и для их питания достаточно небольшого напряжения (обычно около 1,5 вольта), ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ обеспечивается установленной в микрофоне батареей.
По сравнению с конденсаторными микрофонами, мембрана электретных микрофонов значительно толще, в связи с этим их чувствительность и частотные характеристики несколько хуже.
Стереофонический микрофон представляет собой систему из двух микрофонов, конструктивно размещенных в общем корпусе на одной оси друг над другом. Для записи по системе XY применяют стереофонические микрофоны, состоящие из двух одинаковых монофонических микрофонов с кардиоидными характеристиками направленности, причем акустические оси левого и правого микрофонов повернуты на 90° относительно друг друга (рис. 6.1, а). При записи по системе MS один из микрофонов (микрофон середины) имеет круговую характеристику направленности, а другой (микрофон стороны) — косинусоидальную характеристику направленности
(рис. 6.1, б).
Рис. 6.1. Характеристики направленности стереофонических микрофонов
Радиомикрофон представляет собой систему, состоящую из микрофона, переносного малогабаритного передатчика и стационарного приемника. Микрофон чаще всего используют динамический катушечный или электретный. Передатчик либо совмещают в одном корпусе с микрофоном, либо выполняют карманного типа. Он излучает энергию радиочастот в УКВ диапазоне на одной из фиксированных частот. Вследствие влияния дополнительных преобразований в системе ʼʼпередатчик — эфир — приемникʼʼ качественные параметры радиомикрофона уступают параметрам обычного микрофона.
referatwork.ru
Любой микрофон состоит из двух систем: акустикомеханической и механоэлектрической.
Свойства акустикомеханической системы сильно зависят от того, как воздействует звуковое давление:
- на одну сторону диафрагмы (микрофон давления) или на обе стороны
- симметрично ли это воздействие (микрофон градиента давления) или на одну из сторон диафрагмы действуют колебания, непосредственно возбуждающие ее, а на вторую - прошедшие через какое-либо механическое или акустическое сопротивление или систему задержки времени (асимметричный микрофон градиента давления).
Сильное влияние на качественные характеристики микрофона оказывает его механоэлектрическая часть.
Первым получил распространение угольный микрофон, который и до сих пор используют в телефонии. Действие его основывается на изменении сопротивления между зернами угольного порошка при изменении давления на их совокупность.
Рис. 1 Устройство микрофонов: а - угольного; б - электромагнитного; в - электродинамического; г - ленточного; д - конденсаторного; е - пьезоэлектрического
Угольный микрофон (рис. 1, а) работает следующим образом. При воздействии звукового давления на его диафрагму 1 она начинает колебаться. В такт этим колебаниям изменяется и сила сжатия зерен угольного порошка 2, в связи с чем изменяется сопротивление между электродами 3 и 4, а при постоянном электрическом напряжении изменяется и ток через микрофон. Если, скажем, включить микрофон к первичной обмотке трансформатора Т, то на зажимах его вторичной обмотки будет возникать переменное напряжение, форма кривой которого будет отображать форму кривой звукового давления, воздействующего на диафрагму микрофона.
Основное преимущество угольного микрофона - высокая чувствительность, позволяющая использовать его без усилителей. Недостатки - нестабильность работы и шум из-за того, что полезный электрический сигнал вырабатывается при разрыве и восстановлении контактов между отдельными зернами порошка, большая неравномерность частотной характеристики и значительные нелинейные искажения.
После угольного микрофона появился электромагнитный микрофон, который работает следующим образом (рис. 1, б). Перед полюсами (полюсными наконечниками) 2 магнита 3 располагают ферромагнитную диафрагму 1 или скрепленный с ней якорь. При колебаниях диафрагмы под воздействием на нее звукового давления меняется магнитное сопротивление системы, а значит, и магнитный поток через витки обмотки, намотанной на магнитопровод этой системы. Благодаря этому на зажимах обмотки возникает переменное напряжение звуковой частоты, являющееся выходным сигналом микрофона.
Электромагнитный микрофон стабилен в работе. Однако ему характерен узкий частотный диапазон, большая неравномерность частотной характеристики и значительные нелинейные искажения.
В противоположность электромагнитному микрофону чрезвычайно широкое распространение для целей озвучения, звукоусиления получил электродинамический микрофон в своих двух модификациях - катушечной и ленточной.
Принцип действия электродинамического катушечного микрофона состоит в следующем (рис. 1, в). В кольцевом зазоре 1 магнитной системы, имеющей постоянный магнит 2, находится подвижная катушка 3, скрепленная с диафрагмой 4. При воздействии на последнюю звукового давления она вместе с подвижной катушкой начинает колебаться. В силу этого в витках катушки, перерезывающих магнитные силовые линии, возникает напряжение, являющееся выходным сигналом микрофона.
Электродинамический микрофон весьма стабилен в работе, имеет довольно широкий частотный диапазон, сравнительно небольшую неравномерность частотной характеристики.
Устройство ленточного электродинамического микрофона несколько отличается от устройства катушечной модификации (рис. 1, г). Здесь магнитная система микрофона состоит из постоянного магнита 1 и полюсных наконечников 2, между которыми натянута легкая, обычно алюминиевая, тонкая (порядка 2 мкм) ленточка 3. При воздействии на обе ее стороны звукового давления возникает сила, под действием которой ленточка начинает колебаться, пересекая при этом магнитные силовые линии, вследствие чего на ее концах развивается напряжение.
Т.к. сопротивление ленточки очень мало, то для уменьшения падения напряжения на соединительных проводниках напряжение, развиваемое на концах ленточки подается на первичную обмотку повышающего трансформатора, размещенного непосредственно вблизи ленточки. Напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора является выходным напряжением микрофона.
Частотный диапазон этого микрофона довольно широк, а неравномерность частотной характеристики невелика.
Для электроакустических трактов высокого качества наибольшее распространение в настоящее время получил конденсаторный микрофон. Он работает следующим образом (рис. 1, д): жестко натянутая мембрана 1 под воздействием звукового давления может колебаться относительно неподвижного электрода 2, являясь вместе с ним обкладками электрического конденсатора. Этот конденсатор включается в электрическую цепь последовательно с источником постоянного тока Е и активным нагрузочным сопротивлением R. При колебаниях мембраны емкость конденсатора изменяется с частотой воздействующего на мембрану звукового давления, в следствии чего, в электрической цепи появляется переменный ток той же частоты и на нагрузочном сопротивлении возникает падение напряжения, являющееся выходным сигналом микрофона.
Нагрузочное сопротивление должно быть большим, чтобы падение напряжения на нем не уменьшалось сильно на низких частотах, где емкостное сопротивление конденсатора очень велико и эксплуатация такого микрофона была бы невозможна из-за сравнительно небольшого сопротивления микрофонных линий и нагрузки. По этой причине почти у всех современных конденсаторных микрофонов предусмотрены конструктивно связанные с самим микрофоном усилители, имеющие малый коэффициент усиления (порядка 1), высокое входное и низкое выходное сопротивления.
Конденсаторные микрофоны имеют самые высокие качественные показатели:
широкий частотный диапазон, малую неравномерность частотной характеристики, низкие нелинейные и переходные искажения, высокую чувствительность и низкий уровень шумов.
Электретные микрофоны, по существу, те же конденсаторные, но постоянное напряжение для них обеспечивается не обычным источником, а электрическим зарядом мембраны или неподвижного электрода, материалы которых отличаются тем, что способны сохранять этот заряд длительное время.
Некоторое распространение получили пьезоэлектрические микрофоны (рис. 1, е). Их действие основано на том, что звуковое давление воздействует непосредственно или через диафрагму 1 и скрепленный с ней стержень 2 на пьезоэлектрический элемент 3. При деформации последнего на его обкладках вследствие пьезоэлектрического эффекта возникает напряжение, являющееся выходным сигналом микрофона.
Действие транзисторных микрофонов (весьма мало распространенных) основывается на том, что под действием звукового давления на диафрагму и скрепленное с ней острие, являющееся одновременно эмиттером полупроводникового триода, изменяется сопротивление эмиттерного перехода через него. Хотя транзисторные микрофоны с диафрагмой достаточно чувствительны, но они недостаточно стабильны и их частотные характеристики даже в сравнительно узком диапазоне частот неравномерны.
Стереофонический микрофон представляет собой систему из двух микрофонов, конструктивно размещенных в общем корпусе на одной оси друг над другом. Для записи по системе XY применяют стереофонические микрофоны, состоящие из двух одинаковых монофонических микрофонов с кардиоидными характеристиками направленности, причем акустические оси левого и правого микрофонов повернуты на 90° относительно друг друга (рис. 2, а). При записи по системе MS один из микрофонов (микрофон середины) имеет круговую характеристику направленности, а другой (микрофон стороны) - косинусоидальную характеристику направленности (рис. 2, б).
Рис. 2. Характеристики направленности стереофонических микрофонов
Радиомикрофон представляет собой систему, состоящую из микрофона, переносного малогабаритного передатчика и стационарного приемника. Микрофон чаще всего используют динамический катушечный или электретный. Передатчик либо совмещают в одном корпусе с микрофоном, либо выполняют карманного типа. Он излучает энергию радиочастот в УКВ диапазоне на одной из фиксированных частот. Вследствие влияния дополнительных преобразований в системе "передатчик - эфир - приемник" качественные параметры радиомикрофона уступают параметрам обычного микрофона.
Для приема речи в условиях окружающего шума применяют ларингофоны. Эти приборы воспринимают механические колебания гортани, возникающие при речеобразовании. Для этого ларингофоны (обычно пара) прижимаются к шее в области гортани. По принципу преобразования ранее применялись угольные ларингофоны, а в настоящее время - электромагнитные. Отличие их от соответствующих микрофонов в том, что в них нет диафрагм, на которые воздействует звуковое давление, а подвижный элемент вследствие инерции перемещается относительно корпуса колеблющегося в такт с колебанием гортани, к которой он прилегает.
student.zoomru.ru
