Устройство и принцип работы микрофона

В водной части этой темы можно добавить то, что сегодня используется несколько типов микрофонов: конденсаторный, угольный, динамический, электретный, динамический с катушкой, пьезоэлектрический и их все возможные разновидности. Их внутреннее устройство и принцип работы мы изучим чуть позже, а сейчас остановимся на истории изобретения.

Немного из истории появления микрофона

Еще в 1856 году ученый Дю Монсель в своих работах показал, что графитовые электроды даже при малом изменении площади соприкосновения проводников, существенно изменяют свое внутреннее электрическое сопротивление. Первый угольный микрофон придумал, чуть позже американец Эмиль Берлинер, представив свое изобретение в большой мир 4 марта 1877 года на основе угольных стержней.

Годом позже другой американец Дэвид Эдвард Хьюз при модернизации этой конструкции, прикрепил к одному заостренному угольному стержню мембрану.

Пару годков спустя известный экспериментатор Томас Эдисон усовершенствовал эту конструкцию, применив вместо угольных стержней порошок из этого же вещества. Кстати именно такой тип устройтва (с угольным порошком внутри) до сих пор применяется в аналоговых телефонах, которые еще можно увидеть в некоторых местах. Около четверти века инженеры постоянно совершенствовали его, не прибегая к изобретению кардинально отличающихся по принципу работы микрофонов.

Только в 1916 году инженер Эдуард Венте сделал конденсаторный микрофон. Принцип действия которого базируется на преобразование звука в электрический сигнал за счет изменения внутреннего сопротивления, а в результате изменения емкости. Чуть поже японей Ёгути изобрел разновидность этого типа – электретный микрофон.

В 1924 году немцы Вальтер Шоттки и Гервин Эрлах открывают новый тип - динамический микрофон. Он работал намного лучше угольного, а по электрическим свойствам оказался куда лучше конденсаторного устройства.

В 1925 году российские ученые Александр Иванович Яковлев и Сергей Николаевич Ржевкин предстовляют принципиально новый вид аудиотехники - пьезоэлектрический микрофон, в котором для преобразования давления воздуха в сигнал применялся пьезоэлектрик. На базе такого устройства позже был изобретен гидрофон – микрофон способный записывать звуки под водой.

И наконец, буквально вчера в 1931 году американы Эдуард Венте и Альберт Терес создают динамический микрофон с катушкой индуктивности. Именно он до сих пор применяется в звукозаписывающих фирмах, так как обладает лучшими частотными свойствами.

Типы микрофонов по принципу работы

В соответствии с принципом действия микрофона их можно разделить на следующие типы:

В свою очередь динамические микрофоны можно классифицировать на виды: электромагнитный, ленточный и катушечный. Далее рассмотрим принцип и устройство каждого из типов более подробно.

Устройство динамического микрофона

Принцип работы его основан на физическом явление называемой в электротехнике индукцией.

Проводник, к которому прикреплена мембрана, находится в постоянном магнитном поле. Изменения давления воздуха вследствие воздействия звуковых колебаний, заставляют мембрану перемещаться в соответствии с фазой, амплитудой и частотой звуковой волны. Мембрана, передает это коллебательное движение проводнику, а уже перемещение проводника в постоянном магнитном поле генерирует слабый электрический сигнал, в точности повторяющий по своей форме звуковую волну

Для максимума подвижности, проводник делают из очень тонкой медной проволоки, которая плотно намотана вокруг пластикового пустотелого стержня. Это позволяет увеличить количество проводимого материала в магнитном поле, что, дает возможность, неплохо увеличивает индукцию, а значит и чувствительность динамического устройства.

Данное устройство по сравнению со своими коллегами имеет как свои плюсы, так и минусы. К первым можно отнести отличную надежность, способность работать с высокими звуковыми давлениями, простая конструкция и адекватный ценовой диапазон. Недостатки: низковатая чувствительность на высоких частотах (спад АЧХ), не достаточно быстрая реакция на резкие перепады звукового давления.

Устройство ленточного динамического микрофона несколько отличается от рассмотренной выше катушечной модификации. Здесь магнитная система представлена постоянным магнитом (1) и полюсными наконечниками (2), между ними натянута легкая, тонкая (порядка 2 мкм) алюминиевая, ленточка (3). При воздействии на обе ее стороны звуком появляется сила, под действием которой она начинает совершать колебательные движения, пересекая в этом процессе магнитные силовые линии, и благодаря этому на ее концах появляется напряжение.

Сопротивление ленты мало, поэтому для снижения уровня падения напряжения на соединительных проводниках, развиваемое напряжение на концах ленточки идет на первичную обмотку повышающего трансформатора, размещенного вблизи ленты. Напряжение на вторичной обмотке трансформатора и будет выходным напряжением. Частотный диапазон этой разновидности динамического микрофона совсем не плох, а неравномерность частотной характеристики мала.

Устройство конденсаторного микрофона

Принцип работы этого типа основан на главном свойстве конденсатора изменять свою емкость в зависимости от расстояния между своими пластинами.

В конденсаторном устройстве одна из пластин подвижная и является мембраной. Она изготовлена из тонкого материала, для обеспечения максимальной легкости. Обычно, для этих целей, используют тончайшую пластиковую пленка, на которую нанесен нано слой никеля или золота. Вторая пластина конструкции неподвижна. Звуковое давление, воздействует на мембрану, заставляет ее двигаться ко второй пластине, что существенно сокращает расстояние между ними и, поэтому вызывает изменение емкости конденсатора. Электрический ток, появляющийся при этом, описывает по своей форме звуковую волну. Для создания электрического поля между обоими пластинами может использоваться внешний источник питания или покрытие одной из пластин делают из поляризованного материала, такие аудиоконструкции называют электретными микрофонами . Источник напряжения требуется так же для обеспечения работы встроенного предусилителя, по причине слабого сигнала, в следствии малой амплитуды движения диафрагмы. Поэтому уровень входящего сигнала необходимо увеличить, прежде чем передавать его на приемник.

Преимущества таких микрофонов: они более чувствительны, особенно это хорошо чувствуется в области высоких частот, могут четко реагировать на резкие изменения. Минусы: Необходим источник питания.

Устройство и работа угольного микрофона

Этот тип конструкции до сих пор применяется в аппаратах аналоговой телефонии, внутри его между двумя металлическими пластинами находится угольный порошок, размещённый и заключённый в особую герметичную капсулу. Одна из металлических пластин или стенки капсулы соединяется с мембраной. При изменении силы звука на порошок изменяется контактирующая площадь между отдельными угольными зернами, и, в итоге, меняется сопротивление между пластинами. Если пропустить между ними постоянный ток, напряжение между пластинами будет зависеть от силы давления на мембрану.

При воздействии звука на диафрагму она начинает колебаться. В такт этому регулируется и сила сжатия зерен порошка, тем самым изменяя сопротивление между электродами, а при наличии постоянного напряжения изменяется и ток следующий через микрофон. Если, подключить устройство к первичной обмотке трансформатора, то на его вторичке возникнет переменное напряжение, форма которого повторит кривую звукового давления, воздействующего на диафрагму.

Основным преимуществом этого почти ушедшего в историю типа принято считать огромную чувствительность, позволяющую использовать его без дополнительных усилителей. Недостатки типовые - нестабильность и существенный шум, неравномерность частотной характеристики и сильные нелинейные искажения.

Устройство пьезоэлектрического микрофона

Их действие основано на том, что звук воздействует непосредственно или через диафрагму (1) и скрепленный с ней стержень (2) на пьезоэлектрический компонент (3). При деформации пьезоэлемента на его обкладках возникает напряжение, которое и является выходным сигналом.

Обозначение микрофонов на схеме

Для обозначения на принципиальных схемах используют специальный символ, похожий на угольный микрофон. Линии выводов при этом направляют в одну или в разные стороны. Основой буквеный код (В). Добавочная буква (М) означает микрофон. Исключение только для приборов звуковой сигнализации. Принцип действия и другие особенности, указывают специальными значками, смотри рисунок ниже.

Микрофонный кабель

Представлена схема правильного самостоятельного изготовления шнура, который не внесет сильного вреда в качество получаемого сигнала, если он состоит из нормальных проводов. В роли экрана используется типовая медная оплетка. Сигнальные жилы внутри экрана это витая пара медных проводов.

Технические параметры и микрофонные свойства

Чувствительность Е - наверное главная микрофонная характеристика. Она определяется как ЭДС при работе микрофона без нагрузки или как напряжение, создаваемое на стандартном сопротивлении нагрузки при воздействии на чувствительный компонент, звукового давления в один Паскаль. За единицу чувствительности принято отношение одного милливольта к одному паскалю, т.е.

Чувствительность среднего микрофона в зависимости от типа может составлять от 1 - 2 мВ/Па у динамических устройств до 10-15 мВ/Па (конденсаторного типа).

Частота воспроизведения f_воспр. Уровень передачи любого микрофона в какой-то степени зависит от частоты звуковых колебаний. График этой зависимости и есть частотная характеристика.

Частота воспроизведения является типовой Амплитудно-Частотной-Характеристикой. Неравномерность АЧХ измеряют в децибелах как отношение чувствительности на определенной частоте к чувствительности на средней частоте, например 1 кГц.

Направленность φ - Способность микрофонного устройства реагировать на звуки в зависимости от расположения в пространстве звукового источника и направление прихода волн определяется специальным параметром направленности. Она показывает изменения чувствительности при смене направлений, по которым звуковые волны идут к чувствительному элементу.

где, М_α чувствительность звуковой волны под некоторым углом альфа
M₀ - осевая чувствительность

Диаграмму направлености графически можно представить в полярнойной системе координат. В качестве опорного направления (0 -180°) применяется микрофонная ось ( перпендикулярное или фронтальное к лицевой стороне направление). Боковые направления задаются углами прихода по отношению к осевой линии. На рисунке ниже показана идеальная диаграмма ненаправленного действия.

Вдоль линии, задающей конкретное направление, откладывают некоторый отрезок, пропорпиональный чувствительности в данном направлении. По диаграммам направленности эти аудио устройства можно условно разделить на три группы: ненаправленные, двусторонненаправленные и односторонненаправленные.

Уровень шумов N_ш - уровень собственных шумов микрофона это отношение эффективного напряжения на выходе при полном отсутствии звукового поля.

Напряжение шума - U_ш обусловлено в основном тепловыми шумами в элементах схемы.