Электретный микрофон

Электретный микрофон — это тип конденсаторного микрофона, в котором для создания постоянного электрического поля между обкладками конденсатора используется предварительно поляризованный материал — электрет. В отличие от классических конденсаторных микрофонов, электретные не требуют внешнего источника фантомного питания для поляризации диафрагмы, что позволяет значительно упростить их конструкцию и снизить стоимость. Электретные микрофоны являются наиболее распространённым типом миниатюрных микрофонов в современной электронике.

Принцип действия

Электретный микрофон работает на основе электростатического принципа. Его чувствительный элемент представляет собой плоский конденсатор, одна из обкладок которого выполнена из тонкой, подвижной мембраны (диафрагмы), а другая — из неподвижного металлического или металлизированного электрода (задней пластины). Между обкладками находится слой электрета — диэлектрика, способного длительное время сохранять электрическую поляризацию после воздействия сильного электрического поля.

Под действием звуковых волн мембрана колеблется, изменяя расстояние между обкладками и, следовательно, ёмкость конденсатора. Поскольку заряд на обкладках, созданный электретом, остаётся постоянным, изменение ёмкости приводит к изменению напряжения на конденсаторе. Это переменное напряжение, пропорциональное звуковому давлению, является выходным сигналом микрофона. Однако его амплитуда очень мала (обычно несколько милливольт), поэтому для дальнейшей обработки сигнал необходимо усилить. Для этого в корпус электретного микрофона встраивают полевой транзистор (FET — Field-Effect Transistor), работающий в режиме истокового повторителя.

Устройство и конструкция

Типичный электретный микрофон состоит из следующих основных элементов:

• Капсюль (микрофонная головка): Герметичный корпус, чаще всего цилиндрической формы, из металла или пластика. Внутри капсюля размещены мембрана, электрет и задняя пластина.
• Мембрана: Тонкая полимерная плёнка (например, из политетрафторэтилена — тефлона, или полиэтилентерефталата — лавсана), на одну сторону которой нанесён металлизированный слой (обычно алюминий или золото). Мембрана может быть натянута с определённым механическим напряжением для обеспечения заданной резонансной частоты.
• Электрет: Слой диэлектрика, который может быть нанесён на мембрану или на заднюю пластину. В современных микрофонах чаще всего используется плёночный электрет на основе фторполимеров.
• Задняя пластина (электрод): Металлическая пластина с отверстиями или канавками для уменьшения акустического сопротивления и демпфирования колебаний мембраны.
• Встроенный усилитель: Полевой транзистор (FET), который преобразует высокоомный сигнал с капсюля в низкоомный, пригодный для передачи по кабелю. Транзистор обычно монтируется непосредственно на капсюле или внутри корпуса микрофона.

История

История электретного микрофона началась в 1960-х годах. В 1961 году японский физик Г. Сато (G. M. Sessler) и американский инженер Дж. Э. Уэст (J. E. West), работавшие в компании Bell Laboratories, разработали первый практический электретный микрофон. Они использовали тонкую плёнку из политетрафторэтилена (тефлона) в качестве электрета. Это изобретение позволило создать миниатюрные, надёжные и недорогие микрофоны, которые не требовали внешнего питания.

В 1970-х годах началось массовое производство электретных микрофонов, в первую очередь в Японии (компании Sony, Panasonic, Primo). Они быстро вытеснили угольные и динамические микрофоны из многих областей применения, особенно в портативной технике. В СССР разработка и производство электретных микрофонов велись с 1970-х годов, например, модель МЭК-3 («МЭК» — микрофон электретный капсюльный) использовалась в бытовых магнитофонах и диктофонах.

Классификация

Электретные микрофоны классифицируются по нескольким признакам.

По типу электрета

• Плёночные (фольговые): Электрет нанесён непосредственно на мембрану. Такая конструкция проще и дешевле, но имеет меньшую чувствительность и более высокий уровень шума.
• С задней пластиной (back-electret): Электрет нанесён на неподвижную заднюю пластину, а мембрана изготавливается из лёгкого металлизированного полимера. Это позволяет получить более высокую чувствительность, лучшую частотную характеристику и меньший уровень шума.

По направленности

• Всенаправленные (ненаправленные): Реагируют на звук со всех сторон. Используются в диктофонах, гарнитурах, для записи атмосферы.
• Однонаправленные (кардиоидные, суперкардиоидные): Наиболее чувствительны к звуку, приходящему спереди, и подавляют звуки сзади и с боков. Достигается за счёт специальной акустической конструкции капсюля (наличия фазовых отверстий). Используются в вокальных микрофонах, для записи речи в шумной обстановке.
• Двунаправленные (восьмёрка): Чувствительны к звуку спереди и сзади, подавляют звуки с боков. Встречаются реже, в основном в студийной технике.

По типу подключения

• Аналоговые: Выходной сигнал — аналоговое напряжение. Требуют подключения к усилителю или звуковой карте. Для работы встроенного FET-усилителя обычно требуется питание 1,5–10 В (часто подаётся по сигнальному проводу через резистор — «фантомное питание» для электретов).
• Цифровые: В корпус микрофона встроен АЦП (аналого-цифровой преобразователь), и на выходе формируется цифровой сигнал (например, PDM или I²S). Используются в современных смартфонах, планшетах, ноутбуках.

Характеристики

Основные технические характеристики электретных микрофонов:

• Чувствительность: Обычно от -30 до -60 дБ относительно 1 В/Па. Чем выше значение (ближе к нулю), тем микрофон чувствительнее.
• Частотный диапазон: Зависит от конструкции и назначения. Для речевых микрофонов — 100–8000 Гц, для музыкальных — 20–20000 Гц.
• Уровень собственного шума: Измеряется в дБА. У качественных микрофонов — 20–30 дБА, у бюджетных — до 40–50 дБА.
• Максимальный уровень звукового давления (SPL): До 120–140 дБ. Превышение этого уровня приводит к искажениям.
• Выходное сопротивление: Обычно 1–2 кОм (определяется встроенным FET-усилителем).

Применение

Электретные микрофоны благодаря своей миниатюрности, надёжности, низкой стоимости и хорошим характеристикам нашли широчайшее применение:

• Бытовая электроника: Встроенные микрофоны в смартфонах, планшетах, ноутбуках, веб-камерах, диктофонах, видеокамерах, гарнитурах, «умных» колонках.
• Связь: Гарнитуры для call-центров, спикерфоны, рации, системы громкой связи.
• Профессиональная аудиотехника: Петличные микрофоны (lavalier) для телевидения и театра, вокальные микрофоны для концертов, студийные микрофоны для записи инструментов и вокала (например, многие модели фирмы Rode, Audio-Technica, Neumann).
• Медицина: Стетоскопы, слуховые аппараты, диагностическое оборудование.
• Промышленность и наука: Системы шумомониторинга, акустические измерители, приборы неразрушающего контроля.
• Автомобильная электроника: Системы громкой связи, гарнитуры для водителей.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Миниатюрность: Возможность изготовления капсюлей диаметром от 2–3 мм.
• Низкая стоимость: Массовое производство делает их очень дешёвыми.
• Высокая надёжность: Отсутствие подвижных частей (кроме мембраны) и внешнего источника высокого напряжения.
• Широкий частотный диапазон: Могут работать от инфразвука до ультразвука.
• Низкое энергопотребление: Питание FET-усилителя требует минимального тока (доли миллиампера).

Недостатки

• Необходимость питания: Встроенный усилитель требует внешнего источника питания (обычно 1,5–10 В), что не всегда удобно.
• Чувствительность к влажности: Электрет и мембрана могут деградировать при высокой влажности.
• Ограниченный срок службы электрета: Со временем заряд электрета может уменьшаться, что приводит к снижению чувствительности. Однако современные материалы обеспечивают срок службы в десятки лет.
• Более высокий уровень собственного шума по сравнению с лучшими студийными конденсаторными микрофонами с внешним питанием.

Интересные факты

• Изобретение электретного микрофона в 1961 году было признано одним из важнейших изобретений XX века в области акустики. В 1999 году Джеймс Уэст и Герхард Сесслер были введены в Национальный зал славы изобретателей США.
• Первый в мире серийный электретный микрофон для бытовой техники был выпущен компанией Sony в 1968 году.
• Электретные микрофоны используются в космической технике, например, в гарнитурах астронавтов на Международной космической станции (МКС), благодаря своей надёжности и устойчивости к вибрациям.
• В России и странах СНГ электретные микрофоны часто называют «электретными», а в англоязычной литературе — «electret condenser microphone» (ECM).

Источники

• Sessler, G. M., & West, J. E. (1962). Self-biased condenser microphone with high capacitance. The Journal of the Acoustical Society of America, 34(11), 1787-1788.
• Радиоэлектроника: Энциклопедия / Под ред. А. А. Куликовского. — М.: Дрофа, 2007.
• ГОСТ 26128-84. Микрофоны. Термины и определения.
• Техническая документация на электретные микрофоны компаний Panasonic, Primo, Knowles.
• Ballou, G. (Ed.). (2015). Handbook for Sound Engineers (5th ed.). Focal Press.