Современные микрофоны

 

 Что такое микрофон?

 

 

   Микрофон - это электроакустический прибор, преобразующий акустические звуковые колебания воздушной среды в электрические сигналы. Он является первым звеном любого тракта звукозаписи, звукоусиления, речевой связи. Его характеристики и условия эксплуатации во многом определяют качество сигнала во всем тракте. Многие виды искажений звуковых сигналов (нелинейные, переходные, особенности передачи акустической обстановки и перспективы) и различных помех (ветровых, вибрационных, акустических) часто не могут быть ликвидированы последующей обработкой сигналов без существенного ухудшения полезных составляющих.    

В микрофоне при превращении звуковых колебаний в электрические сигналы происходят различные взаимосвязанные физические процессы. В соответствии с этим микрофон можно рассматривать как ряд функциональных звеньев.    

Первое звено - акустическое, приемник звуковых волн. Звуковое (колебательное) давление, создаваемое источником звука, воздействует на акустический вход (или входы). В результате взаимодействия приемника и звукового поля формируется механическая сила, зависящая от частоты звукового сигнала, размеров и формы корпуса микрофона и его акустических входов, расстояния между ними, угла падения звуковой волны относительно акустической оси микрофона, характера звукового поля. Тип приемника определяет такой важный параметр, как характеристика направленности (ХН).    

Второе звено - акустико-механическое, оно служит для согласования в заданном диапазоне частот силы, формируемой приемником, с величиной колебательной скорости (для динамических микрофонов) или смещения (для конденсаторных) подвижного элемента электромеханического преобразователя микрофона. Свойства этого звена определяются взаимным расположением, величиной и частотной зависимостью входящих в нее акустико-механических элементов, которые в конструктивном отношении представляют собой различные зазоры, щели, отверстия, объемы, пористые элементы, находящиеся внутри капсюля микрофона. Это звено определяет частотную характеристику чувствительности (ЧХЧ) микрофона и в значительной мере помогает формированию ХН в широком диапазоне частот.    

Третье звено - электромеханическое, представляет собой электромеханический преобразователь, работающий в микрофоне в режиме генератора и преобразующий механическое колебание подвижного элемента (его скорости или смещения) в электродвижущую силу (ЭДС). Эффективность преобразователя характеризуется коэффициентом электромеханической связи. Преобразователь определяет чувствительность микрофона.    

Четвертое звено - электрическое. Оно выполняет функцию согласования преобразователя с последующим усилительным устройством (например, в конденсаторных микрофонах согласует большое емкостное сопротивление капсюля с относительно низкоомным входом последующего усилительного устройства). В некоторых моделях микрофонов электрическое звено также корректирует АЧХ микрофонов.     

Типы приемника и преобразователя являются определяющими звеньями микрофонов. Акустико-механическое и электрическое звенья - согласующие, основная задача которых - обеспечение минимальных потерь полезного сигнала и получение требуемой АЧХ выходного сигнала.    

Микрофоны обычно классифицируют по трем основным признакам: типу приемника, типу преобразователя и по назначению (условиям эксплуатации).

Характеристики чувствительности микрофонов: 1 - с круговой "направленностью" (ненаправленные) 2 - с двусторонней направленностью 3-5 - с кардиоидной направленностью

Как подразделяются микрофоны?    

Тип приемника определяет одну из основных характеристик микрофона - характеристику направленности.    

Характеристикой направленности называется зависимость чувствительности микрофона на заданной частоте от угла падения звуковой волны.    

По типу приемника микрофоны подразделяются на следующие группы.

• Приемники давления (ненаправленные, "нулевого порядка", "круговые"). В них звук воздействует на подвижный элемент (мембрану, диафрагму) только с одной стороны. Вследствие этого на низких и средних частотах, где размеры микрофона малы по сравнению с длиной звуковой волны, чувствительность микрофона практически не изменяется при разных углах падения звука.
• Приемники градиента или разности давлений (направленные). Они бывают двух видов:

 

    Различия в форме ХН однонаправленных приемников определяются как степенью несимметрии входов, так и величиной акустико-механических параметров внутренней структуры акустикомеханического звена.    

Характеристики направленности (диаграммы) указанных типов приемников графически представлены на рис. 1.    

На рис. 2 схематически изображен принцип построения ненаправленного (а), двусторонне направленного (б) и односторонне направленного (в) микрофонов.

    В особую группу иногда выделяют комбинированные микрофоны, или микрофоны с переменной ХН. В этих микрофонах можно получить практически любую ХН из семейства (см. рис. 1) комбинацией электрических сигналов от двух приемников - ненаправленного (кривая 1) и двусторонне направленного (кривая 2), или от двух развернутых на 180 о капсюлей кардиоидных микрофонов (электрически комбинированные), а также изменением величины напряжения поляризации на половинках неподвижного электрода или мембранах в двухмембранных конденсаторных микрофонах.    

Особую группу представляют остронаправленные микрофоны, которые применяются в случаях, когда нет возможности подойти близко к источнику полезного сигнала. Острая ХН в них реализуется несколькими различными способами.    

"Биградиентными" или "бикардиоидными" (градиенты второго порядка) называют микрофоны, состоящие из двух идентичных, пространственно разнесенных и соосно расположенных капсюлей с ХН "восьмерка" или "кардиоида", включенных в противофазе. Диапазон частот таких приемников крайне ограничен.

    Наиболее распространенными среди остронаправленных микрофонов являются микрофоны "бегущей волны" (интерференционные), состоящие из трубки с отверстиями или прорезями, на заднем торце которой расположен ненаправленный или однонаправленный микрофонный капсюль (рис. 3). Отверстия (прорези) в трубке закрыты тканью или пористым материалом, акустическое сопротивление которого возрастает по мере приближения к капсюлю. Обострение ХН достигается из-за интерференции парциальных звуковых волн, проходящих через отверстия трубки. При движении фронта звука параллельно оси трубки все парциальные волны приходят к подвижному элементу одновременно, в фазе. При распространении звука под углом к оси эти волны доходят до капсюля с различной задержкой, определяемой расстоянием от соответствующего отверстия до капсюля, при этом происходит частичная или полная компенсация давления, действующего на подвижный элемент. Заметное обострение ХН в таких микрофонах начинается с частоты, где длина трубки больше половины длины звуковой волны; с увеличением частоты ХН еще больше обостряется. Поэтому даже при значительной длине таких микрофонов, которая может достигать метра и даже более, ХН на частотах ниже 150...200 Гц определяется только капсюлем и обычно близка к кардиоиде или суперкардиоиде.

    Третий, реально встречающийся тип остронаправленных микрофонов - рефлекторные. В этих микрофонах капсюль с ненаправленной или однонаправленной ХН помещается в фокусе параболического отражателя (рис. 4). При этом, благодаря свойствам параболы, звуковые волны после отражения концентрируются в фокусе параболы, в месте расположения подвижного элемента капсюля, причем достигают его в фазе. Звуковые волны, приходящие под углом к оси параболы, рассеиваются рефлектором, не попадая на микрофон. В рефлекторной системе ХН еще более зависима от частоты, чем в интерференционной, и изменяется от практически ненаправленной на низких частотах (при диаметре рефлектора меньше длины звуковой волны) до узкого лепестка на высоких частотах. ЧХЧ таких микрофонов имеет подъем в сторону высоких частот с крутизной порядка 6 дБ на октаву, который обычно компенсируется или электрическим путем, или специальной конструкцией капсюля.

На какие группы делятся микрофоны по типу преобразователя?    

По типу электромеханического преобразователя микрофоны делятся на угольные, электромагнитные, пьезоэлектрические, электродинамические (динамические) и конденсаторные (электростатические).     

В профессиональных микрофонах (за исключением микрофонов для связи и озвучивания в транспорте) обычно используются два последних типа преобразователя. Поэтому рассмотрим их подробнее.

a)динамический микрофон:  б)ленточный микрофон куполообразная диафрагма с гофрированным воротником цилиндрическая катушка магнит магнитопровод гофрированная лента из фольги магнитный зазор

 

    Динамические микрофоны, в свою очередь, подразделяются на катушечные и ленточные. Схематически простейшее их устройство показано на рис. 5 (а и б соответственно). В первом варианте цилиндрическую бескаркасную катушку (как правило, двух- и, реже, четырехслойную) помещают в кольцевой зазор магнитной цепи, в котором создается равномерное магнитное поле радиального направления. Катушка приклеена к куполообразной диафрагме с гофрированным воротником, выполняющим роль подвеса. Когда диафрагма (из полимерного материала) под действием звукового давления совершает колебания, провод катушки пересекает магнитное поле зазора (ширина которого обычно 0,4...0,6 мм) и в катушке индуцируется ЭДС. Постоянные магниты микрофонов изготавливают из специальных материалов с высокими остаточной индукцией и коэрцитивной силой. Величина активного сопротивления такой катушки в различных моделях обычно колеблется в пределах 20...600 Ом.    

Как правило, с таким типом преобразователя делают микрофоны ненаправленные или с односторонней направленностью. В последнем случае в корпусе магнитной системы вскрывают отверстия, заклеиваемые шелком или другим пористым материалом, реализующим на втором входе активное акустическое сопротивление. Для расширения диапазона в сторону низких частот в таких микрофонах обычно применяют дополнительные замкнутые объемы, соединенные внутри с магнитом посредством трубок и отверстий разного сечения.    

В качестве примера таких микрофонов из отечественных может служить ненаправленный микрофон МД-83, а также микрофоны МД-97 и МД-91 с односторонней направленностью - для систем звукоусиления речи, выпускаемые в настоящее время ООО "Микрофон-М" (С.-Петербург).    

Для компенсации электромагнитных помех (фона переменного тока) в катушечных микрофонах последовательно со звуковой катушкой обычно включают антифонную катушку, наматываемую, как правило, на магнитную систему. Катушки включают таким образом, что наводимые на них фоновые напряжения, возбуждаемые в обеих катушках, взаимно компенсируются.    

В ленточном преобразователе (рис. 5,б) в качестве подвижного элемента используется гофрированная (для обеспечения большей гибкости) металлическая (как правило, алюминиевая) ленточка толщиной несколько микрон, помещаемая в магнитное поле между полюсными наконечниками постоянного магнита, зазор между которыми обычно бывает порядка 1,5...2 мм. Ленточка служит одновременно и проводником тока, и подвижной системой преобразователя. С таким типом преобразователя обычно реализуется микрофон с "восьмерочной" ХН (в силу полной симметрии преобразователя), ненаправленные (с акустическим лабиринтом, закрывающим одну сторону ленточки), реже - односторонне направленные. Ленточка, в отличие от катушки, имеет чрезвычайно малое электрическое сопротивление порядка 0,1...0,3 Ом, а напряжение сигнала на ее выходе составляет всего 20...30 мкВ при давлении 1 Па, соизмеримое с величиной напряжения электростатических помех в микрофонных кабелях. Поэтому напряжение, развиваемое ленточкой, предварительно увеличивают с помощью повышающего трансформатора, помещаемого в корпусе микрофона в экран из пермаллоя.    

Звукооператоры отмечают особенную для ленточных микрофонов естественность, мягкость, прозрачность передачи тембра многих музыкальных инструментов, особенно струнных, тарелок. Это объясняется легкостью подвижного элемента - ленточки, а следовательно, и малыми переходными искажениями.    

Также в динамических микрофонах теоретически можно использовать ортодинамический преобразователь, но пока он не нашел применения в серийно выпускаемых моделях микрофонов. Поэтому останавливаться на его конструкции здесь нет смысла.

	a)ненаправленный микрофон:  б)микрофон с двусторонней направленностью металлизированная пленка калиброванная изолирующая прокладка неподвижный электрод