Микрофоны
Что такое микрофон
Микрофон — устройство, преобразующее звуковой сигнал в электрический, для его последующей обработки и передачи на другие устройства. Они используются повсеместно: в телефонах и ноутбуках, акустических измерениях и исследованиях, в системах связи и звукоусиления.
Принцип работы микрофона заключается в том, что давление звуковых колебаний окружающей среды (воздуха, воды или твёрдого вещества) действует на мембрану микрофона, в свою очередь колебания мембраны возбуждают электрические колебания.
Одной из основных характеристик микрофона является чувствительность — отношение напряжения на выходе микрофона к воздействующему на него звуковому давлению. Т. е. то, как хорошо микрофон воспринимает звук разной громкости. Если чувствительность низкая, то тихий звук слабо улавливается и наоборот.
Также у каждого микрофона есть диаграмма направленности — область чувствительности микрофона к звуку относительно направления или угла, с которым поступает сигнал. Т.е. область в которой микрофон «слышит» звук, отличающаяся в зависимости от назначения микрофона.
Примеры разных типов диаграмм направленности
Другая важная характеристика микрофона это АЧХ (Амплитудно-ЧастотнаяХарактеристика) — график, отображающий изменение амплитуды звуковых частот в зависимости от их частоты. Т.е. показывающий как звучит устройство. Идеальная АЧХ должна представлять из себя ровную линию. Если линия частот отклоняется, от 0 дБ вверх или вниз, то частоты будут звучать громче или тише соответственно.
Пример АЧХ микрофона (Союз 017 FET)
Различные методы и устройства, служившие для усиления звука, создавались ещё в античности. Показательными примерами будут рупоры и специальные сосуды — резонаторы, которые вставлялись в стены. Первое же электронное устройство напоминающее по принципу работы привычные нам микрофоны появилось во второй половине 19-го века.
В 1876 году на международной выставке в Филадельфии Александр Белл, глава Bell Telephone Company, продемонстрировал «жидкостной передатчик», представлявший из себя резервуар, в котором диафрагма разделяла провод и раствор кислоты.
Александр Грейам Белл 1847 г. — 1922 г.
Когда звуковая волна воздействовала на диафрагму, заставляя её колебаться, провод соприкасался с жидкостью из-за чего его сопротивление изменялось и в проходящем через него токе возникали колебания.
Жидкостной телефонный передатчик
Спустя год Эмиль Берлинер представил своё изобретение, которое считается первым угольным микрофоном. Оно было основано на передатчике Белла, который Берлинер увидел на той самой выставке. «Бесконтактный передатчик» имел два электрических контакта, разделённых слоем углерода, один из которых был подсоединён к диафрагме.
Когда Белл узнал о микрофоне, он начал судебное разбирательство, но суд встал на сторону Берлинера, После этого Белл решил выкупить выданный Берлинеру патент, а самого изобретатель принять в Bell Telephone Company в качестве специалиста по телефонной технике.
Эмиль Берлинер 1851 г. — 1931 г.
Типы микрофонов
Тип микрофона — это то, какое явления преобразования звука используется в микрофоне (электромагнитная индукция, изменение ёмкости конденсатора, пьезоэлектрический эффект и т.д.).
Угольные.
Угольные микрофоны — одни из первых появившихся типов микрофонов. В них содержится герметичная капсула в которую между двух металлических пластинок помещён угольный порошок.
Одна из металлических пластинок соединяется с мембраной и при воздействии звука происходит изменение давления и изменяется площадь контакта между зёрнышками угля, а следовательно и сопротивление порошка. Таким образом происходит усиление сигнала, пропускаемого через капсулу. Именно тем, что он является усилительным, а не преобразовательным элементом, этот тип микрофонов и отличается от остальных.
Благодаря своей особенности питаемый постоянным током угольный микрофон может подавать сигнал непосредственно на высокоомные динамики, потому долгое время они использовались в телефонных аппаратах, наушниках и громкоговорителях. Однако такой тип микрофона обладает плохой АЧХ, узкой полосой пропускания и сильно подвержен шумам и искажениям.
Несмотря на то, что первым было устройство Берлинера, куда большее развитие получил микрофон Дэвида Юза, созданный в 1878 году. В нём содержался соединённый с мембраной угольный стержень с заострёнными концами, упирающийся в две, также угольные, чашечки. При колебаниях мембраны контакт чашечек и стержня менялся, а с ним и ток в цепи. С течением времени конструкция совершенствовалась, так Томас Эдисон предложил использовать вместо стержня угольный порошок в герметичной капсуле.
Дэвид Эдвард Хьюз 1831 г. — 1900 г.
Конденсаторные.
Здесь мембрана является одной из обкладок конденсатора. Изменения её состояния превращаются в изменения ёмкости и как следствие электромагнитного поля. Таким образом появляется аналоговый сигнал.
Мембрану у такого микрофона можно сделать значительно тоньше, что позволяет улучшить чувствительность и расширить диапазон частот, однако сигнал конденсаторных микрофонов очень слабый и ему необходимо дополнительное усиление, а также дополнительное питание, именуемое фантомным (обычно стандартное напряжение 45 В). Для этих целей у конденсаторных микрофонов используются несколько типов усилителей, наиболее распространённый из которых транзисторный.
В отличии от угольных конденсаторные микрофоны обладают относительно равномерной АЧХ, низким уровнем шумов и очень хорошей чувствительностью, можно даже сказать слишком хорошей, поскольку они легко улавливают посторонние звуки. В сочетании с высокой стоимостью, уязвимостью к ударным и климатическим воздействиям, а также необходимостью в постоянном питании их становится целесообразно использовать только в специально подготовленном помещении. Из-за всех своих особенностей этот тип микрофонов очень часто применяется в студиях звукозаписи, радио и телевидении.
Изобрёл первый конденсаторный микрофон, названный «телефонный передатчик», в 1916 году, также работник компании Белла — Эдвард Венте. Его основной целью была попытка создать более качественный преобразователь звука. Принцип действия аппарата и конструкция устройства значительно не отличалась от современных. Точно также при колебаниях мембраны менялось напряжение и мощность электрического сигнала, который затем усиливался с помощью предусилителя.
Эдвард Кристофер Венте 1889 г. — 1972 г.
Динамические.
Самые простые и легко изготавливаемые, в них к мембране, которая реагирует на звуковые волны, прикреплена катушка. Внутри катушки установлен неподвижно прикреплённый магнит.
Звуковые волны приводят мембрану и вмести с ней катушкув движение относительно магнита, что вызывает изменения в электромагнитном поле и благодаря явлению электромагнитной индукции появляется электрический сигнал. Также этот тип разделяется по способу записи но монофонический и стереофонический, и в зависимости от типа проводника на катушечный и ленточный.
Катушечные динамические микрофоны благодаря своей надёжности с простотой и хорошей чувствительности применяются повсеместно. Со вторыми ситуация интереснее.
Первый изобретённый динамический микрофон был ленточного типа. Его, в 1924 году, изобрел Вальтер Шоттки, совместно с Эрвином Герлахом. В устройстве под воздействием магнитного поля находилась тонкая гофрированная алюминиевая лента. Для того, чтобы ленточный микрофон можно было использовать проводник должен иметь большие размеры. Подобные устройства, несмотря на малую чувствительность, большую стоимость и габариты, а следовательно хрупкость, применяются до сих пор в студийной записи, благодаря очень хорошей АЧХ.
Вальтер Герман Шоттки 1886 г. — 1976 г.
Пьезоэлектрические.
Этот тип работает благодаря свойствам его кристалла — пьезоэлемента. Так называются кристаллы, на поверхности которых при деформации или изменении формы которых возникают электрические разряды, величина которых пропорциональна деформирующей силе.
В них к кристаллу прикреплена мембрана микрофона, в результате деформации которой на кристалле возникают напряжения, изменяющиеся в соответствии с изменением давления волн звука. Либо же сам кристалл может быть «мембраной», то есть создавать слабые разряды при физическом воздействии.
Из-за слабых характеристик, хрупкости, но малой стоимости и габаритам пьезоэлектрические микрофоны применяются в недорогой и любительской аппаратуре,
Было несколько изобретателей которые использовали пьезоэлектрические кристаллы в звукозаписывающей системе, но первым из них был Поль Ланжевен в 1917 году, хотя и не получил на него патент. Его устройство использовалось в паре с ультразвуковым излучателем с целью обнаружения подводных лодок. В последствии свои варианты устройства независимо друг от друга создали Александр Николсон в 1919 году, который применял рошельскую соль в различных устройствах, но не добился коммерческого успеха. И советские акустики С. Н. Ржевкин и А. Н. Яковлев создавшие и получившие патент на устройство в 1928 году.
Поль Ланжевен 1872 г. — 1946 г.
Оптоакустические.
Вероятно самый необычный тип микрофонов. Это микрофоны, в которых несущей для регистрации акустических колебаний в среде используется свет. Чаще всего отражение света лазера от какого либо тела, из-за чего такие микрофоны иногда называют лазерными.
Инфракрасный луч направляется на подверженный вибрации звуковых волн целевой объект (например оконное стекло), после уже отраженный луч улавливается фотоприёмником и преобразовывается в электрический сигнал, который затем фильтруется и усиливается. Из-за своей специфичности они не применяются повседневно, но используются в некоторых научных приборах, по типу сейсмографов, или правоохранительными и государственными службами для прослушивания.
Придумал и создал первое известное устройство с аналогичным принципом работы (применявшуюся КГБ систему «Буран») Лев Термен в начале — середине 1940-ых годов.
Лев Сергеевич Термин 1896 г. — 1993 г.