Микрофоны и их основные параметры

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Микрофон -- электроакустический прибор, преобразовывающий звуковые колебания в колебания электрического тока, устройство ввода. Служит первичным звеном в цепочке звукозаписывающего тракта или звукоусиления. Микрофоны используются во многих устройствах, таких как телефоны и магнитофоны, в звукозаписи и видеозаписи, на радио и телевидении, для радиосвязи, а также для ультразвукового контроля и измерения. [1]

Возможно, человеческий голос и является самым выразительным музыкальным инструментом, но в подавляющем большинстве случаев для создания музыкальной ткани обойтись только им одним не представляется возможным. Кроме того, именно инструментальная музыка выражает сущность музыки как наиболее абстрактного из всех искусств, апеллирующего непосредственно к эмоциям в обход вербального восприятия. А в современном электрическом мире неотъемлемыми спутниками музыкальных инструментов являются микрофоны. Без сомнения, микрофон является самым известным и распространенным видом "созидающего" звукового оборудования. Даже те, кто бесконечно далек от звуковых технологий и не имеет никакого представления о звуковой технике, знают, как выглядит микрофон и для чего он нужен. Да и по возрасту это наиболее почтенный прибор - он существовал уже тогда, когда еще не было ни усилителей, ни громкоговорителей, не говоря уже о других компонентах звукового тракта.

Цель работы - рассмотреть и описать все виды микрофонов, их устройство и применение, составить рекомендацию по выбору микрофона

1. История развития

Вначале наибольшее распространение получил угольный микрофон Эдисона, об изобретении которого также независимо заявляли Г.Махальский в 1878 и П. М. Голубицкий в 1883. Угольный микрофон до сих пор используется в аппаратах аналоговой телефонии. Действие его основывается на изменении сопротивления между зёрнами угольного порошка при изменении давления на их совокупность.

Конденсаторный микрофон был изобретён американским учёным Э. Венте в 1917 году. В нём звук воздействует на тонкую металлическую мембрану, изменяя расстояние между мембраной и металлическим корпусом. Тем самым образуемый мембраной и корпусом конденсатор меняет ёмкость. Если подвести к пластинам постоянное напряжение, изменение ёмкости вызовет ток через конденсатор, тем самым образуя электрический сигнал во внешней цепи.

Более массовыми стали динамические микрофоны, отличающиеся от угольных гораздо лучшей линейностью характеристик и хорошими частотными свойствами, а от конденсаторных -- более приемлемыми электрическими свойствами.

Первым динамическим микрофоном стал изобретённый в 1924 году немецкими учёными Э. Герлахом и В. Шоттки электродинамический микрофон ленточного типа. Они расположили в магнитном поле гофрированную ленточку из очень тонкой (ок. 2 мкм) алюминиевой фольги. Такие микрофоны до сих пор применяются в студийной записи благодаря чрезвычайно высоким частотным характеристикам, однако их чувствительность невелика, выходное сопротивление очень мало (доли Ома), что значительно осложняло проектирование усилителей. Кроме того, достаточная чувствительность достижима только при значительной площади ленточки (а значит, и размерах магнита), в результате такие микрофоны имеют большие размеры и массу по сравнению со всеми остальными типами.

Пьезоэлектрический микрофон, сконструированный советскими учёными С. Н. Ржевкиным и А. И. Яковлевым в 1925 году, имеет в качестве датчика звукового давления пластинку из вещества, обладающего пьезоэлектрическими свойствами. Работа в качестве датчика давления позволила создать первые гидрофоны и записать сверхнизкочастотные звуки, характерные для морских обитателей.

В 1931 году американские учёные Э. Венте и А. Терас изобрели динамический микрофон с катушкой, приклееной к тонкой мембране из полистирола или фольги. В отличие от ленточного, он имел существенно более высокое выходное сопротивление (десятки Ом и сотни кило Ом), мог быть изготовлен в меньших размерах и является обратимым.

Совершенствование характеристик именно этих микрофонов, в сочетании с совершенствованием звукоусилительной и звукозаписывающей аппаратуры, позволило развиться индустрии звукозаписи. Создание малых по размеру (даже несмотря на массу постоянного магнита, необходимого для работы микрофона), а также чрезвычайно чувствительных и узконаправленных динамических микрофонов в заметной степени изменило представление о приватности и породило ряд изменений в законодательстве (в частности, о применении подслушивающих устройств).

Тогда же разработанные электромагнитные микрофоны, в отличие от электродинамических, имеют закреплённый на мембране постоянный магнит и неподвижную катушку. Благодаря отсутствию жёстких требований к массе катушки (характерном для динамических микрофонов) такие микрофоны делались высокоомными, а также порой имели многоотводные катушки, что делало их более универсальными. Такие микрофоны, наряду с пьезоэлектрическими, позволили создать эффективные слуховые аппараты, а также ларингофоны.

Электретный микрофон, изобретённый японским учёным Ёгути в начале 20-х гг. XX века по принципу действия и конструкции близок к конденсаторному, однако в качестве неподвижной обкладки конденсатора и источника постоянного напряжения выступает пластина из электрета. Долгое время такие микрофоны были относительно дороги, а их очень высокое выходное сопротивление (как и конденсаторных, единицы мегаОм и выше) заставляло применять исключительно ламповые схемы.

Создание полевых транзисторов привело к появлению чрезвычайно эффективных, миниатюрных и лёгких электретных микрофонов, совмещённых с собранным в том же корпусе предусилителем на полевом транзисторе. [5]

2. Микрофоны и их основные параметры

Книг и статей, в которых рассказывается о принципах действия микрофонов различного типа, их характеристиках и применении довольно много. Однако большинство из них изданы относительно давно и к настоящему времени стали малодоступны. В те годы, когда эти книги издавались, проблема выбора микрофона существовала лишь теоретически. Ныне ситуация сложилась прямо противоположная: микрофонов в ярких упаковках сколько угодно в любом ларьке с радиотехническим уклоном, не говоря уж о специализированных магазинах. Глаза разбегаются. Что выбрать? Давайте разберемся в этом, не слишком глубоко вдаваясь в технические аспекты. Принцип действия микрофона заключается в преобразовании звуковых колебаний в электрические таким образом, чтобы содержащаяся в звуке информация не претерпевала заметных изменений. Для этого микрофон должен отвечать следующим требованиям:

· при рабочих уровнях звука микрофон должен вырабатывать электрический сигнал, в достаточной мере превышающий уровень собственных электрических шумов;

· вырабатываемый сигнал не должен иметь существенных искажений;

· микрофон должен практически без изменений передавать все звуковые частотные составляющие, содержащиеся в сигнале в пределах частотного диапазона аппаратуры, к которой он подключен. [3]

Микрофоны отличаются по способу преобразования колебаний звукового давления в колебания электрические. С этой точки зрения различают электродинамические, электромагнитные, электростатические, пьезоэлектрические, угольные и полупроводниковые микрофоны. Электродинамические микрофоны делятся на катушечные и ленточные. К электростатическим микрофонам относятся конденсаторные и электретные, широко используемые в профессиональных целях. Электромагнитные и пьезоэлектрические микрофоны не получили распространения в звукозаписи из-за узкого частотного диапазона и неравномерной частотной характеристики. Последние две группы микрофонов -- угольные и полупроводниковые -- из дальнейшего рассмотрения можно смело исключить, так как принципы их действия не обеспечивают выполнения ни одного из требований, предъявляемых к микрофонам для звукозаписи. Принципы действия микрофонов различных типов объединяет способ преобразования звуковых колебаний в электрические: мембрана (диафрагма) микрофона воспринимает и передает колебания звукового давления элементу, осуществляющему их преобразование в электрический сигнал.

Принцип действия электродинамических микрофонов заключается в преобразовании колебаний звукового давления в механические колебания диафрагмы и связанной с ней катушки индуктивности (в катушечных микрофонах) или ленты (в микрофонах ленточных) в магнитном поле постоянного магнита. Это приводит к возникновению в катушке или ленте э.д.с. самоиндукции, в изменении которой и заложена информация. Конденсаторные микрофоны требуют внешнего источника питания. Жестко натянутая мембрана под действием изменяющегося звукового давления совершает колебательные движения относительно неподвижного электрода. Эти два элемента составляют конденсатор, являясь его обкладками. При колебаниях мембраны емкость конденсатора изменяется с частотой воздействующего на мембрану звукового давления. В электрической цепи появляется переменный ток, пропорциональный звуковому сигналу. Электретные микрофоны по принципу действия не отличаются от конденсаторных, однако эффективность преобразования сигнала в них выше, так как напряжение на обкладках конденсатора обеспечивается не только обычным внешним источником, но и электрическим зарядом мембраны или неподвижного электрода. Материал этих элементов обладает электретным свойством -- способностью сохранять заряд длительное время.

К основным характеристикам и параметрам микрофонов, определяющим их качество, относятся следующие:

· Чувствительность -- отношение напряжения на выходе микрофона к воздействующему на него звуковому давлению.

· Динамический диапазон -- разность между уровнями предельного звукового давления и собственных шумов.

· Рабочий частотный диапазон.

· Частотная характеристика (ЧХ).

· Характеристика направленности -- зависимость чувствительности микрофона от угла между его акустической осью и направлением на источник звука.

Важными параметрами микрофона являются также уровень собственных шумов и выходное сопротивление. Очевидно, хороший микрофон должен быть малошумящим. Выходное сопротивление микрофона должно соответствовать входному сопротивлению аппаратуры, к которой он подключен. Вообще говоря, без учета условий применения при решении конкретных задач нельзя утверждать, что микрофон с теми или иными характеристиками хуже или лучше. Не для всех параметров также справедливо утверждение: “Чем значение выше, тем лучше”. Например, микрофон с высокой чувствительностью хорош в подслушивающем устройстве для записи звука с большого расстояния. Но тот же микрофон малопригоден в руке солиста, поющего в сопровождении оркестра, так как он будет воспринимать не только голос певца, но и искаженные при распространении звуки музыкальных инструментов. Для правильной передачи звучания басовых музыкальных инструментов не обязательно использовать микрофон с высокой верхней граничной рабочей частотой. Хотя, чем шире рабочий диапазон частот (чем меньше нижняя и больше верхняя граничные частоты), тем универсальнее микрофон. Одним из важнейших показателей при выборе микрофона является характеристика его пространственной направленности. Графически ее изображают в полярных координатах в виде диаграммы направленности в горизонтальной плоскости. По виду характеристики направленности микрофоны делят на три основных типа: ненаправленные, двусторонне и односторонне направленные. В первом приближении считается, что ненаправленные микрофоны одинаково воспринимают звук с любого направления. Рабочей областью ненаправленного микрофона является сфера, а его диаграмма направленности представляет собой окружность, как это показано на рис. 1, а. Двусторонне направленные микрофоны обладают одинаковой чувствительностью как с фронтальной, так и с тыльной стороны. Диаграмма направленности напоминает цифру “8” (рис. 1, б)Односторонне направленные микрофоны чувствительны только к звуковым волнам, приходящим с фронтального направления. Их диаграмма направленности представляет собой кривую, носящую название “кардиоида” и действительно напоминающую сердечко (рис. 1, в). Кроме направленных микрофонов, существуют еще и остронаправленные. На рис. 1, г показана диаграмма направленности такого микрофона, описываемая суперкардиоидой. Обратим ваше внимание на то обстоятельство, что представленные на рисунках диаграммы направленности идеализированы. Важно понимать, что реальные характеристики направленности близки к этим идеализациям только в пределах узкого диапазона частот. Особенно сильно сказывается зависимость вида диаграммы направленности от частоты для ненаправленных микрофонов. Чем выше частота, тем меньше телесный угол, в пределах которого ненаправленный микрофон воспринимает звуковые волны. [2]

На рис.1, кроме идеализированных диаграмм направленности, представлены реальные характеристики направленности соответствующих микрофонов в рабочем диапазоне частот.

Рисунок 1 Виды характеристик направленности микрофонов

Пренебрежение подобными реалиями может привести к грубым ошибкам. Например, если запись группы вокалистов производится одним ненаправленным микрофоном, то исполнителей с более высокими голосами следует размещать так, чтобы микрофон был нацелен на них фронтальной стороной. В противном случае, будет нарушено соотношение громкостей и отдельные голоса будут подвержены амплитудно-частотным искажениям.

Рисунок 2 Диаграмма направленности микрофона МД-78

Изделия фирм, уважающих себя и покупателей, снабжаются паспортами, в которых приводятся диаграммы направленности для нескольких частот, подобные приведенным в качестве примера на рис. 2 для динамического (МД-78) и на рис. 3 для электретного (МКЭ-2) микрофонов.

Рисунок 3 Диаграмма направленности микрофона МКЭ-2

Наряду с диаграммой направленности, другой не менее важной характеристикой микрофона является его частотная характеристика. Принципиальным требованием к частотной характеристике является ее равномерность. Чем равномернее ЧХ микрофона, тем правильнее он передает тембр голоса певца или инструмента. При использовании микрофона в системе звукоусиления концертного зала неравномерность ЧХ микрофона является одной из причин возникновения неприятного для ушей публики эффекта -- самовозбуждения акустической системы. [4]

На рис. 4 и 5 в качестве примера представлены ЧХ микрофонов МД-78 и МКЭ-2. По оси абсцисс отложено значение частоты в герцах, а по оси ординат -- чувствительность микрофона в логарифмических единицах (децибелах). На рис. 4 показана зависимость чувствительности микрофона МЭК-2 от частоты для фронтального (0°) и противоположного ему тылового (180°) направлений.

Из рис. 4 видно, что осевая частотная характеристика микрофона МД-78 сильно зависит от расстояния, на котором микрофон находится от источника звука. Сравнивая рис. 4 и 5 можно сделать вывод о том, что ЧХ электретного микрофона существенно равномернее ЧХ микрофона динамического.

Рисунок 4 Частотная характеристика микрофона МД-78

Рисунок 5 Частотная характеристика микрофона МКЭ-2

Небольшую неравномерность ЧХ можно до некоторой степени скорректировать при обработке сигнала многочастотными узкополосными фильтрами с управляемыми параметрами -- эквалайзерами. Такие фильтры, реализованные программным способом, имеются в составе звуковых редакторов.

3. Типы микрофонов

Типы микрофонов по принципу действия:

1. Динамический микрофон

2. Конденсаторный микрофон

3. Угольный микрофон

1. Динамический микрофон

Динамический (электродинамический) микрофон -- наиболее распространённый тип конструкции микрофона. Он представляет собой мембрану, соединённую с лёгким токопроводом, который помещен в сильное магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом. Колебания давления воздуха (звук) воздействуют на мембрану и приводят в движение токопровод. Когда токопровод пересекает силовые линии магнитного поля, в нём наводится ЭДС индукции. ЭДС индукции пропорциональна как амплитуде колебаний мембраны, так и частоте колебаний. В отличие от конденсаторных, динамические микрофоны не требуют фантомного питания.

Динамический микрофон практически аналогичен по конструкции динамической головке (динамику, громкоговорителю). Это, в сущности, «обращение» динамика: вместо подачи напряжения на катушку динамика для создания звука с этой катушки снимается напряжение, созданное внешним звуком. В ранней радиолюбительской практике динамики нередко использовались в качестве динамического микрофона, а некоторые радиостанции специально проектировались под использование в качестве и микрофона, и динамика одного устройства. Однако обычно динамик и микрофон имеют разное электрическое сопротивление, поэтому при использовании одного вместо другого можно необратимо испортить устройство. Динамический микрофон конструктивно несколько отличается от динамика: у него другая конструкция мембраны, катушка содержит бомльшее количество витков и намотана гораздо более тонким проводом. [4]

Классификация по типу проводника:

а. Катушечный

б. Ленточный

а) В электродинамическом микрофоне катушечного типа применена диафрагма, связанная с катушкой индуктивности, находящейся в кольцевом зазоре магнитной системы. При колебаниях диафрагмы под действием звуковой волны витки катушки пересекают магнитные силовые линии и в катушке наводится ЭДС, создающая переменное напряжение. Такой микрофон надёжен в эксплуатации.

При выборе микрофона следует учитывать как всю совокупность его технических характеристик, так и условия записи, поэтому конкретные рекомендации дать довольно трудно. Однако общие правила выбора микрофона все же существуют. Ненаправленный микрофон можно применять при записи пения и музыки в сильно заглушенном помещении. Его же следует использовать для передачи общей акустической обстановки при многомикрофонной записи. Односторонне направленный микрофон с характеристикой типа “кардиоида” желательно применять при записи в помещении с большим количеством звуковых отражений. Применяют его и в том случае, когда в помещение, где проводят запись, проникают посторонние шумы. Микрофон следует устанавливать тыльной стороной к источнику звуковых помех. Такой микрофон рекомендуется использовать при широком фронте размещения исполнителей. Этот микрофон применяют при маловероятной в любительских условиях многомикрофонной записи для четкого разделения групп исполнителей, а так же при размещении исполнителя близко к микрофону, чтобы снизить низкочастотные искажения, присущие в этом случае ненаправленному и двусторонне направленному микрофонам. Двусторонне направленный микрофон с диаграммой типа “восьмерка” следует применять при записи в заглушенном помещении, когда необходимо увеличить относительный уровень переотраженных сигналов, а так же при записи отдельных музыкальных инструментов и певцов, для выделения низких частот в условиях близкого размещения исполнителей у микрофона. Используют такой микрофон и в том случае, когда необходимо отстроиться от направленных источников шума. Для этого микрофон ориентируют зоной нулевой чувствительности к источнику шума. Двусторонне направленный микрофон, сориентированный в горизонтальном направлении, оказывается полезным для ослабления звуковых волн, отраженных от пола, потолка и боковых стен помещения. Это позволяет сэкономить на тех самых пресловутых коврах, применяя акустическую обработку только двух стен: за исполнителем и напротив него. В помещениях с жесткими параллельными ограничивающими поверхностями (полупустых комнатах с необработанными в акустическом отношении стенами) могут возникнуть так называемые стоячие волны. Стоячие волны представляют собой собственные колебания в объемном резонаторе, в роли которого выступает помещение с недостаточным затуханием звуковых колебаний. Частоты стоячих волн связаны с размерами помещения. Собственные акустические колебания возникают на частотах, при которых тот или иной размер помещения оказывается кратным половине длины волны. В прямоугольном помещении возможно одновременное существование множества стоячих волн кратных частот (мод колебаний). Скорость распространения звука составляет около 330 м/с, поэтому вдоль того измерения помещения, которое составляет, например, 3 м, возникнут собственные акустические колебания с частотами 55 Гц, 110 Гц, 165 Гц, и т. д. Наибольшей интенсивностью характеризуются самые низкочастотные моды. По мере увеличения частот собственных колебаний их амплитуды уменьшаются. Поэтому в помещении, имеющем большие высоту, ширину и длину, стоячие волны проявляют себя слабее, ведь частоты наиболее интенсивных мод оказываются ниже нижней границы частотного диапазона микрофона. Влияние стоячих волн заключается в искажении спектрального состава записываемого сигнала. В различных точках помещения амплитуды собственных резонансных частот оказываются различными, поэтому тембр одного и того же источника звука зависит от точки расположения микрофона. Особенно сильно резонансные свойства помещения и неравномерность частотной характеристики микрофона проявляются тогда, когда источник звука формирует широкополосный сигнал, способный возбудить колебания практически на любых резонансных частотах. Это характерно для некоторых ударных инструментов. При записи же речи и пения может происходить неестественное подчеркивание свистящих и шипящих согласных: с, х, т, ц, щ.На рис. 9 схематично показаны источник звука (И) и микрофон (М). Взаимное расположение микрофона и источника звука определяется тремя параметрами:

· углом a между прямой, проходящей через источник звука и микрофон, и акустической осью микрофона;

· характеристикой направленности источника звука (углом b между прямой ИМ и акустической осью источника звука);

· расстоянием между источником звука и микрофоном L.

Рисунок 9 Расположение микрофона и источника звука

Все музыкальные инструменты по характеристикам направленности можно разделить, хотя и довольно условно, на три группы:

· инструменты, обладающие выраженной направленностью, например медные духовые инструменты;

· инструменты, не обладающие заметной направленностью, к ним относятся ударные;

· инструменты, занимающие промежуточное положение между первыми двумя группами. Эта группа инструментов наиболее многочисленна.

Параметры a, b и L (рис. 9) определяют уровни сигналов, приходящих к микрофону, тембры источников звука, соотношение между уровнями полезного и мешающих сигналов. При повороте микрофона вокруг своей оси и увеличении угла a из-за отличия формы диаграммы направленности от круговой происходит изменение уровня записываемого сигнала. Аналогичным образом влияет и увеличение угла b. Изменение любого из этих двух углов приводит к завалу высших частот, что сказывается на тембре записываемого звука. Особенно сильно это проявляется в заглушенных помещениях и в случаях, когда расстояние L мало, т. к. основное значение имеет прямой звук, энергия которого в точке М меняется значительно. При больших L или при использовании гулкого помещения доля отраженных звуковых волн, попадающих в микрофон, достаточно велика, и поэтому частотные искажения менее заметны. Для ленточного микрофона, у которого характеристика направленности почти не зависит от частоты, изменение угла a не приводит к частотным искажениям. В общем случае наилучшие условия для записи будут в том случае, когда a = 0 и b = 0. При записи с нескольких микрофонов необходимо заботиться об их фазировании: сигналы с микрофонов не должны попадать в тракт записи в противофазе, т. к. это может привести к взаимной их компенсации вплоть до полного исчезновения. Без заметного искажения тембра, вызванного интерференцией прямого и отраженного сигналов, микрофон можно приближать к какой-либо отражающей поверхности на расстояние, составляющее величину не менее 1--1,5 м. Все усилия по повышению качества записи могут оказаться напрасными, если не соблюдать очевидных правил. Одной из распространенных ошибок является ручное использование микрофона. Его можно считать оправданным только при записи голоса исполнителя, находящегося в движении. Ручное использование микрофона требует большого опыта. Наблюдая по телевизору певцов, едва ли не жонглирующих микрофоном, не забывайте, что в большинстве случаев вы слышите не живое исполнение, а фонограмму. Большинство исполнителей, получивших в руки микрофон, не умеют правильно им пользоваться. Наиболее частыми ошибками являются использование микрофона на слишком близком расстоянии, излишне резкие и ненужные движения им, движение пальцев, охватывающих микрофон. В крайнем случае, с этим можно смириться при однократном “живом” исполнении, но никак не во время сеанса записи. Микрофон следует надежно закрепить с помощью эластичного материала на стойке с “журавлем”, ножки которой также должны быть снабжены амортизаторами, предотвращающими воздействие на микрофон помех (ударов, вибрации), распространяющихся по стенам и полу помещения. Сигнальный кабель должен быть экранированным, соединения должны быть надежными, рядом с кабелем не должны располагаться источники мощных помех. [4]

5. Микрофон и музыкальные инструменты

В данной работе были рассмотрены такие темы как: виды микрофонов, история возникновении, работа с микрофонами. Так же к работе приложен видеоматериал, показывающий наглядное рассмотрение темы: «Микрофоны»

При всей индивидуальности и характерности микрофон - это прибор, имеющий целый ряд нормируемых параметров, по которым сравнивают и оценивают различные типы и модели. Это чисто технические, акустические и электрические, параметры. Количество их ограничено стандартами (например, ГОСТ 6495-84), поэтому о звучании микрофонов по ним можно судить только в самых общих чертах.

При выборе микрофона следует учитывать как всю совокупность его технических характеристик, так и условия записи, поэтому конкретные рекомендации дать довольно трудно. Однако общие правила выбора микрофона все же существуют и были представлены в данной работе.

Список литературы

1. БСЭ. Статья «Микрофон»

2. Микрофон // Фотокинотехника: Энциклопедия / Главный редактор Е. А. Иофис. -- М.: Советская энциклопедия, 1981.

3. www.guzdno.my1.ru

4. www.marketone.ru

5. www.ru.wikipedia.org

Размещено на Allbest.ru