Микрофоны
Микрофоны
Хотя акустическими системами принято называть звуковые колонки, сам этот термин носит более широкий смысл. К акустическим системам можно отнести и рупор, усиливающий звук, и лабиринты в древних крепостях для подслушивания разговоров и, наконец, вполне современный прибор для преобразования звуковых колебаний в электрические сигналы — микрофон.
Микрофоном комплектуются многие звукозаписывающие устройства — например, магнитофоны или магнитолы. Нередко он встроен в них и позволяет с удовлетворительным качеством записывать речь и музыку на магнитофонную ленту. Есть микрофоны размером с пшеничное зерно (их применяют шпионы и разведчики), а есть вполне внушительные аппараты для высококачественного преобразования звуковых сигналов и передачи электрических сигналов без проводов (радиомикрофоны).
Микрофон является единственным средством для первичного преобразования звуковых сигналов в электрические, в профессиональных аудио и видеостудиях. Конечно, там применяются дорогие микрофоны, которые очень редко доступны обычным пользователям бытовой радиоэлектроники. Однако уровень развития бытовых микрофонов достаточно высок, и последние выпускаются на все случаи жизни. Восхищаясь превосходно сделанными записями музыкальных и вокальных произведений, мы должны постоянно помнить, что все они сделаны с применением микрофонов. К счастью, энергия звуковых колебаний довольно мала, поэтому колебания мембраны микрофонов незначительны, что позволяет легко добиться очень малых нелинейных искажений. Зато получение малых линейных искажений (плоской АЧХ в широком диапазоне частот) — большая техническая проблема при разработке бытовых микрофонов.
Микрофоны массового назначения по конструкции делятся на несколько типов:
динамические микрофоны |
ленточные микрофоны |
конденсаторные микрофоны |
электретные, или пьезоэлектрические, микрофоны |
Наиболее распространены динамические микрофоны. Конструктивно они выполнены в виде катушки, размещенной в магнитном зазоре сильного постоянного магнита. Катушка обычно прикреплена к легкой и подвижной мембране, воспринимающей колебания воздуха, преобразующей их в механические колебания и передающей последние катушке. Движение катушки в сильном магнитном поле создает на ее зажимах ЭДС самоиндукции.
Ленточные микрофоны имеют проводящую мембрану в виде тончайшей металлической или металлизированной ленты, также находящейся в поле сильного магнита. Мембрана (она же и катушка) в виде ленты имеет слабые резонансные свойства и может чувствовать звуковые волны в очень широком диапазоне их частот. Поэтому микрофоны этого типа популярны при студийных записях. Однако ЭДС, создаваемая на концах ленты, очень мала: в конце концов, лента — это даже не один виток катушки, а лишь часть витка. Сигналы таких микрофонов нуждаются в большем усилении, что ведет к усложнению борьбы с шумами и наводками в усилителях.
Конденсаторный микрофон основан на известном явлении - появлении ЭДС на обкладках конденсатора при их механическом перемещении в электрическом поле. Как и ленточный микрофон, конденсаторный имеет обкладку в виде ленты и поэтому может воспринимать звуковые колебания в широком диапазоне частот. Однако ЭДС конденсаторного микрофона может быть заметно большей, но при условии нагрузки на усилитель с большим входным сопротивлением. Конденсаторные микрофоны сейчас используются в основном как студийные.
Электретный конденсаторный, или пьезоэлектрический, микрофон — подлинная находка для простых бытовых аудиоустройств. В нем мембрана связана с конденсатором из диэлектрика с пьезоэлектрическим эффектом. Когда он получает механические колебания, на его зажимах возникает ЭДС (прямой пьезоэфект). Порою, она доходит до долей вольта, что требует малого усиления. Правда, как и у конденсаторного микрофона, усилитель должен обладать высоким входным сопротивлением хотя бы в сотни кОм. В принципе, качество электретных микрофонов обычно похуже, чем у динамических или ленточных, но многие фирмы выпускают вполне приличные микрофоны этого класса с полосой частот от 50 Гц до 15-18 кГц.
Вне зависимости от конструкции микрофона он характеризуется следующими основными параметрами и характеристиками:
- чувствительностью
- частотной зависимостью чувствительности (АЧХ микрофона) или просто частотным диапазоном при заданном спаде чувствительности на границах диапазона частот
- диаграммой направленности — т. е. зависимостью чувствительности от углового расположения источника звука
- сопротивлением нагрузки
По нашим стандартам чувствительность измеряется как отношение ЭДС микрофона к звуковому давлению (мВ/Па). Например, у одного из лучших наших микрофонов (динамического типа) МД-52Б она составляет 1,2 мВ/Па при полосе частот от 50 Гц до 15 кГц, неравномерности чувствительности в 12 дБ и номинальном сопротивлении нагрузки 250 Ом. Чувствительность зарубежных микрофонов обычно измеряется в логарифмических единицах dBm (при этом 0 dBm = 1 мВт/Па) при частоте 1000 Гц и характеризует отношение отдаваемой микрофоном мощности к величине звукового давления. В качестве примера приведем данные стандартного микрофона F-V9 фирмы Sony. Этот недорогой динамический микрофон классического оформления (ручка с шарообразной головкой) является однонаправленным микрофоном, имеет чувствительность -59,8 dBm, частотный диапазон от 60 Гц до 12 000 Гц, выходное сопротивление 600 Ом. Габариты микрофона 140x51 мм, масса
Диаграмма направленности микрофона - это зависимость чувствительности от угла направления источника звука относительно оси микрофона. Диаграммы направленности одного и того же микрофона могут различаться на разных частотах: обычно, чем выше частота звука, тем уже диаграмма направленности. За рубежом диаграммы направленности называют следующими терминами:
- unidirectional — однонаправленная,
- omnidirectional — всенаправленная ,
- narrow — узконаправленная .
Диаграмма направленности микрофонов обычно указывается для частоты 1000 Гц, хотя она может существенно зависеть от частоты. Иногда разработчики дают семейство диаграмм направленности для ряда частот, но это скорее исключение, чем правило. Всенаправленные микрофоны с близкой к круговой диаграммой направленности обычно используются для записи звуков, которые могут приходить с разных сторон, - например, беседы за круглым столом нескольких человек. Однако чаще используются однонаправленные микрофоны, что позволяет ослабить лишние звуки сзади озвучиваемой сцены. В некоторых случаях просто необходимы узконаправленные микрофоны — например, если вы снимаете телеобъективом соловья и хотите выделить его пение на фоне многих других звуков. Есть и микрофоны с переключением диаграммы направленности.
Разработчики давно отошли от классического оформления микрофона только в виде головки с длинной ручкой. Теперь есть миниатюрные микрофоны, встроенные в магнитолы и видеокамеры, микрофоны в виде застежки для галстука или в виде ручки, размещаемой в кармане. Многие микрофоны имеют встроенный усилитель с питанием от гальванического элемента. Он увеличивает уровень выходного напряжения (мощности) микрофона, что существенно снижает вероятность возникновения фона и помех из-за наводок на кабель микрофона, несущий сигналы малой величины.
Определенные проблемы для записи звуков создают порывы ветра и воздух, выдыхаемый певцом или диктором. Для уменьшения возникающих при этом призвуков на микрофон надевается специальная насадка из пенопласта или иного пористого материала.
До сих пор для записи стереофонических звуков использовались два отдельных микрофона. Однако сейчас многие фирмы выпускают стереофонические сдвоенные микрофоны в виде единого компактного устройства. Деление звуков на левый и правый каналы осуществляется выбором соответствующих диаграмм направленности каждого микрофона. Стереомагнитофоны могут быть миниатюрными — например, они встраиваются в современные видеокамеры с Hi-Fi стереофоническим качеством звукового сопровождения.