Контактный микрофон

Контактный микрофон — это тип микрофона, преобразующего механические колебания твёрдых тел в электрический сигнал, в отличие от обычных микрофонов, воспринимающих колебания воздуха (звуковые волны). Контактные микрофоны также называют датчиками вибрации, контактными датчиками или пьезомикрофонами. Основной принцип их работы заключается в регистрации вибраций поверхности, с которой они находятся в непосредственном механическом контакте. Благодаря этому свойству они нечувствительны к воздушному шуму и могут использоваться в условиях сильного акустического загрязнения.

Принцип действия

Контактные микрофоны работают на основе различных физических принципов, но наиболее распространённым является пьезоэлектрический эффект. В таких микрофонах используется пьезоэлемент — кристалл или керамическая пластина, способная генерировать электрический заряд при механической деформации. Когда микрофон прикрепляется к вибрирующей поверхности, её колебания передаются на пьезоэлемент, который преобразует их в переменное напряжение. Это напряжение затем усиливается и может быть записано или воспроизведено.

Другие типы контактных микрофонов могут использовать электромагнитные или ёмкостные (конденсаторные) принципы, но пьезоэлектрические датчики являются наиболее простыми, дешёвыми и широко распространёнными. В отличие от динамических или конденсаторных микрофонов, контактные не имеют мембраны, колеблющейся от звукового давления, что делает их нечувствительными к воздушным звукам.

История

Первые упоминания о контактных микрофонах относятся к началу XX века, когда изобретатели начали экспериментировать с пьезоэлектрическими кристаллами, открытыми Пьером и Жаком Кюри в 1880 году. Однако практическое применение началось в 1920-х — 1930-х годах, когда пьезоэлектрические датчики стали использоваться в звукоснимателях для граммофонов. В 1950-х годах с развитием электроакустики контактные микрофоны начали применяться в научных исследованиях для измерения вибраций механизмов.

В 1960-х годах контактные микрофоны получили распространение в музыкальной индустрии, особенно в экспериментальной и авангардной музыке. Композиторы, такие как Джон Кейдж, использовали их для извлечения звуков из нетрадиционных источников — струн рояля, металлических пластин, деревянных поверхностей. В СССР контактные микрофоны применялись в радиотехнике и для записи звуков природы, например, для регистрации вибраций деревьев.

Конструкция и типы

Пьезоэлектрические контактные микрофоны

Самый распространённый тип. Состоит из пьезоэлемента (обычно из цирконата-титаната свинца, PZT), заключённого в корпус или защитное покрытие. Для улучшения контакта с поверхностью часто используется двухсторонний скотч, воск или специальный гель. Такие микрофоны просты в изготовлении и могут быть собраны самостоятельно из пьезоизлучателей, используемых в зуммерах.

Электромагнитные контактные микрофоны

Используют катушку индуктивности и магнит. Вибрации поверхности вызывают движение магнита относительно катушки, что генерирует электрический сигнал. Такие микрофоны менее чувствительны к высоким частотам, но могут давать более «тёплый» звук.

Конденсаторные контактные микрофоны

Работают на основе изменения ёмкости между двумя обкладками при вибрации. Требуют фантомного питания (обычно +48 В) и имеют более высокую чувствительность и широкий частотный диапазон. Используются в профессиональных измерительных приборах.

Применение

Музыка и звукозапись

Контактные микрофоны широко используются музыкантами и звукоинженерами для записи акустических инструментов, таких как гитары, скрипки, виолончели, фортепиано, а также для извлечения звуков из необычных объектов — металлических бочек, стеклянных пластин, деревянных конструкций. Они позволяют получить чистый сигнал без обратной связи и фонового шума. В электрогитарах контактные датчики (пьезозвукосниматели) устанавливаются под струнами для передачи вибраций деки.

Научные и промышленные измерения

В технике контактные микрофоны применяются для виброакустической диагностики машин и механизмов. Они позволяют выявлять дефекты подшипников, зубчатых передач, двигателей по характерным вибрациям. В сейсмологии используются для регистрации микросейсмических колебаний грунта.

Специальные и охранные системы

Контактные микрофоны используются в системах прослушивания — для регистрации вибраций стен, окон, труб. Такие устройства применяются в разведке и контрразведке, а также в системах безопасности для обнаружения попыток взлома.

Медицина

В медицине контактные микрофоны применяются в фонокардиографии — для записи звуков сердца и дыхания, а также в стетоскопах нового поколения.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая помехоустойчивость к воздушным шумам.
• Возможность работы в условиях сильного ветра или шума.
• Простота конструкции и низкая стоимость пьезоэлектрических моделей.
• Возможность записи звуков из твёрдых тел, недоступных для обычных микрофонов.

Недостатки

• Чувствительность к механическим помехам (например, к прикосновениям к кабелю).
• Ограниченный частотный диапазон у дешёвых моделей (обычно 20–20000 Гц, но с неравномерностью).
• Необходимость плотного механического контакта с поверхностью.
• Высокий выходной импеданс, требующий использования предусилителя.

Известные производители

На рынке представлены как профессиональные модели (например, K&K Sound, Schertler, C-Ducer), так и бюджетные варианты (например, пьезоэлементы от компании Murata). В России контактные микрофоны выпускаются малыми сериями, в том числе для использования в народных инструментах и экспериментальной музыке.

Интересные факты

• Контактные микрофоны используются для записи звуков насекомых, например, муравьёв, чьи вибрации передаются через почву.
• В 1970-х годах советский композитор Эдуард Артемьев использовал контактные микрофоны для создания звуковых эффектов в фильме «Солярис».
• Контактный микрофон можно сделать из обычного пьезоизлучателя, припаяв к нему аудиоразъём.

Источники

• Энциклопедия «Техника звукозаписи» под ред. В. В. Фурдуева, 2005.
• Журнал «Звукорежиссёр», № 3, 2012, статья «Контактные микрофоны: теория и практика».
• Патент США US 3,123,667, «Piezoelectric contact microphone», 1964.
• Книга «Электроакустика» И. А. Алдошина, 2011.
• Материалы сайта «Музыкальное оборудование» (раздел «Пьезодатчики»), 2020.