Мікрофони і принципи їх роботи

Мікрофон - пристрій, призначений для перетворення акустичних коливань в електричні коливання.

Мікрофони класифікуються за способом перетворення акустичних коливань в електричні, а також за функціональним призначенням.

Мікрофони характеризуються такими параметрами:

Чутливість мікрофона - це відношення напруги на виході мікрофона до впливу на нього звуковому тиску при заданій частоті (як правило 1000 Гц), виражене в мілівольтах на паскаль (мВ / Па). Чим більше це значення, тим вище чутливість мікрофона.
Номінальний діапазон робочих частот - діапазон частот, в якому мікрофон сприймає акустичні коливання і в якому нормуються його параметри.
Нерівномірність частотної характеристики - різниця між максимальним і мінімальним рівнем чутливості мікрофона в номінальному діапазоні частот.
Модуль повного електричного опору - нормоване значення вихідного або внутрішнього електричного опору на частоті 1 кГц.
Характеристика спрямованості - залежність чутливості мікрофона (у порожній частині на певній частоті) від кута між віссю мікрофона і напрямком на джерело звуку.
Рівень власного шуму мікрофона - виражене в децибелах відношення ефективного значення напруги, обумовленого флуктуаціями тиску в навколишньому середовищі і тепловими шумами різних опорів в електричній частині мікрофона, до напруги, що розвивається мікрофоном на навантаженні при впливі на мікрофон сигналу з ефективним тиском 1 Па.
Динамічний діапазон мікрофона - це різниця між самим тихим сигналом і найгучнішим, який мікрофон може відтворити без спотворень.

Конденсаторний мікрофон - вдає із себе, фактично, конденсатор, включених в електричний ланцюг послідовно з джерелом напруги постійного струму (так зване "фантомне живлення") і активним опором навантаження.

Схема, яка пояснює конструктивне виконання даного типу мікрофонів зображена на малюнку 1.

Рис 1. Схема і принцип роботи конденсаторного мікрофона.

Виконані з електропровідного матеріалу мембрана і електрод розділені ізолюючим кільцем і разом являють собою конденсатор. Жорстко натягнута мембрана під впливом звукового тиску здійснює коливальні рухи щодо нерухомого електрода.

При коливаннях мембрани ємність (а відповідно і заряд) конденсатора змінюється з частотою впливає на мембрану звукового тиску, в електричному ланцюзі з'являється змінний струм тієї ж частоти і на опорі навантаження виникає змінна напруга, що є вихідним сигналом мікрофона.

Електретні мікрофони - являють собою практично ті ж конденсаторні мікрофони, але постійна напруга в них забезпечується зарядом Електрети, тонким шаром нанесеного на мембрану і зберігає цей заряд тривалий час (понад 30 років).

Оскільки електретних мікрофони володіють високим вихідним опором (що має ємнісний характер, конденсатор ємністю близько десятків пФ), то для його зменшення, як правило, в корпус мікрофона вбудовують істоковий повторювач на польовому n-каналиюм транзисторі з р-n переходом. Це дозволяє знизити вихідний опір і зменшити втрати сигналу при підключенні до входу підсилювача сигналу мікрофона.

Зважаючи на наявність вбудованого транзистора, незважаючи на відсутність необхідності в поляризующем напрузі, такі мікрофони вимагають зовнішнє джерело електроживлення.

Типова схема підключення електретного мікрофона приведена на малюнку 2.

Рис 2. Типова схема включення електретного мікрофона.

Як правило, мембрана електретних мікрофонів має велику товщину і меншу площу, через що характеристики таких мікрофонів найчастіше поступаються конденсаторним.

Динамічні мікрофони - мікрофони, схожі за конструкцією і зворотні за принципом дії динамічним гучномовцях (динаміків). Дані мікрофони є мембрану, з'єднану з провідником, який поміщений в сильне магнітне поле, створюване постійним магнітом. Звукові коливання впливають на мембрану і приводять в рух провідник. Коли провідник перетинає силові лінії магнітного поля, в ньому наводиться ЕРС індукції. ЕРС індукції пропорційна як амплітуді коливань мембрани, так і частоті коливань.

На відміну від конденсаторних, динамічні мікрофони не вимагають фантомного живлення.

За конструктивним виконанням динамічні мікрофони діляться на котушкові і стрічкові.

У електродинамічному мікрофоні котушкового типу мембрана механічно жорстко з'єднана з котушкою, що знаходиться в кільцевому зазорі магнітної системи (аналогічно динаміків). При коливаннях діафрагми під дією звукової хвилі витки котушки перетинають магнітні силові лінії, і в котушці наводиться змінна ЕРС. На даний момент це один з найбільш распространнёних типів мікрофонів, поряд з електретними. Конструкція мікрофонів даного типу зображена на малюнку 3.

Рис 3. Конструкція динамічного мікрофона котушкового типу.

У електродинамічному мікрофоні стрічкового типу замість котушки в магнітному полі розташовується гофрована стрічка з алюмінієвої фольги. Вважається, що подібна конструкція сприяє більш точної записи високочастотного діапазону. Крім того, дані мікрофони в основній своїй масі мають двосторонню діаграму спрямованості (т.зв. "вісімка"), яка підходить для запису "стерео". Конструкція стрічкового мікрофона зображена на малюнку 4.

Рис 4. Конструкція мікрофона стрічкового типу.

Слід пам'ятати, що в силу своєї конструкції, стрічкові мікрофони найчастіше більш вимогливі до умов зберігання, а також можуть мати невисокий поріг верхнього звукового тиску. У деяких випадках, наприклад, банальне зберігання на боці може привести до розтягування стрічки і неможливості рабти мікрофона.

Вугільний мікрофон - мікрофон, модуляція акустичних коливань в якому здійснюється за допомогою зміни опору провідного матеріалу з вугільного порошку, або зміною площі контакту вугільного стрижня особливої форми (Мікрофон Юза).

Зважаючи на низькі характеристик вугільні мікрофони зараз практично не використовуються. У минулому найбільшого поширення раніше отримали вугільні мікрофони, які являють собою гермитичность капсулу, що містить дві металеві пластини і укладений між ними вугільний порошок. Стінки капсули або одна з металевих пластин з'єднується з мембраною. При зміні тиску на вугільний порошок змінюється площа контакту між окремими зернятками вугілля, і, в результаті, змінюється опір між металевими пластинами. Якщо пропускати між пластинами постійний струм, напруга між пластинами буде залежати від тиску на мембрану.

Рис 5. Конструкція вугільного мікрофона.

Оптоакустіческій мікрофон - мікрофон, в якому для реєстрації акустичних коливань тієї чи іншої середовища використовується світло.

Найчастіше використовуються відбиття світла лазера від того чи іншого робочого тіла, через що подібні мікрофони іноді називають лазерними мікрофонами. Існують варіанти в невеликому корпусі з жорстко закріпленою мембраною, коливань якої реєструються за допомогою фіксації відбитого під кутом лазерного випромінювання. Взагалі даний тип мікрофонів досить специфічний і має свої вузькоспрямовані сфери застосування. Схожий принцип може використовуватися в деяких наукових приладах, наприклад, в сейсмограф або високоточних датчиках відстаней. Слід розуміти, що найчастіше подібні прилади є штучними зразками, які вимагають особливих алгоритмів обробки сигналу, а також підстроювання компонентів.

Одна з можливих схем роботи подібного мікрофона приведена на малюнку 6.

Рис 6. Можлива схема роботи оптоакустіческого мікрофона.

П'єзоелектричні мікрофони - мікрофони, які працюють на п'єзоелектричного ефекту. При деформації пьезоелектріков на їх поверхні виникають електричні заряди, величина яких пропорційна деформирующей силі. Платівки з штучно вирощених кристалів служать основним робочим елементом п'єзоелектричних мікрофонів.

За характеристиками п'єзоелектричні мікрофони поступаються більшості конденсаторних і електродинамічних мікрофонів, проте в деяких сферах подібні мікрофони все ж застосовуються, наприклад в бюджетних або застарілих гітарних звукознімачах.

Рис 7. Конструкція п'єзоелектричного мікрофона.

Існують і інші можливі способи реєстрації звукових коливань, специфічні для свого середовища застосування, однак найчастіше вони є тією чи іншою комбінацією конструкцій, описаних вище. Прикладом специфічних мікрофонів можуть служити ларингофони або гідрофони.