Микрофон

Микрофон — это электроакустический преобразователь, который преобразует звуковые колебания (акустический сигнал) в колебания электрического тока (электрический сигнал). Микрофоны являются основным элементом систем звукоусиления, звукозаписи, радиосвязи и телекоммуникаций. В зависимости от принципа действия и конструкции, микрофоны различаются по чувствительности, частотному диапазону, направленности и уровню собственных шумов.

История

Первые устройства, способные преобразовывать звук в электричество, появились в середине XIX века. В 1861 году немецкий изобретатель Иоганн Филипп Рейс продемонстрировал устройство, которое он назвал «телефоном», способное передавать звук на расстояние. Однако его конструкция была несовершенна и не позволяла передавать речь разборчиво.

Значительный прорыв произошёл в 1876 году, когда Александр Грэм Белл и Элиша Грей независимо друг от друга запатентовали конструкции телефонов, использующие жидкостные микрофоны. В 1877 году Томас Эдисон и Эмиль Берлинер усовершенствовали конструкцию, создав угольный микрофон, который стал основой телефонной связи на десятилетия. Угольный микрофон работал на принципе изменения сопротивления угольного порошка под действием звукового давления.

В 1916 году Эдвард Венте и Альберт Тюринг из компании Western Electric разработали конденсаторный микрофон, который обеспечивал значительно более высокое качество звука, но требовал внешнего источника питания. В 1931 году компания RCA представила ленточный микрофон, а в 1960-х годах появились электретные микрофоны, не требующие внешнего поляризующего напряжения.

Современные микрофоны часто используют технологию MEMS (микроэлектромеханические системы), что позволяет создавать миниатюрные, высоконадёжные и дешёвые устройства, широко применяемые в смартфонах, гарнитурах и слуховых аппаратах.

Принцип действия

Основой любого микрофона является диафрагма — тонкая мембрана, которая колеблется под действием звуковых волн. Колебания диафрагмы преобразуются в электрический сигнал одним из нескольких способов.

Электродинамические микрофоны

В электродинамическом (катушечном) микрофоне диафрагма жёстко соединена с лёгкой катушкой, помещённой в магнитное поле постоянного магнита. При колебаниях диафрагмы катушка движется в магнитном поле, и в ней, согласно закону электромагнитной индукции, возникает переменный электрический ток, форма которого повторяет форму звуковой волны. Такие микрофоны отличаются прочностью, надёжностью и не требуют внешнего питания, но имеют относительно невысокую чувствительность и ограниченный частотный диапазон.

Конденсаторные микрофоны

В конденсаторном микрофоне диафрагма и неподвижный электрод образуют конденсатор. При колебаниях диафрагмы меняется расстояние между обкладками, а следовательно, и ёмкость конденсатора. Для преобразования изменения ёмкости в электрический сигнал требуется внешнее напряжение (фантомное питание, обычно 48 В). Конденсаторные микрофоны обеспечивают высокую чувствительность, широкий частотный диапазон и низкий уровень шума, но чувствительны к влажности и механическим воздействиям.

Электретные микрофоны

Электретный микрофон является разновидностью конденсаторного, в котором одна из обкладок (диафрагма или неподвижный электрод) изготовлена из электрета — материала, сохраняющего электрический заряд длительное время. Это позволяет значительно упростить конструкцию и снизить требования к питанию (часто достаточно напряжения 1,5–5 В). Электретные микрофоны широко распространены в бытовой технике, компьютерах и мобильных устройствах благодаря малому размеру и низкой стоимости.

Ленточные микрофоны

В ленточном микрофоне вместо катушки используется тонкая металлическая лента (обычно из алюминия), помещённая в магнитное поле. Лента одновременно является и диафрагмой, и проводником. Такие микрофоны обладают очень низким уровнем собственных шумов и естественным звучанием, но чрезвычайно хрупки и чувствительны к воздушным потокам.

Пьезоэлектрические микрофоны

В пьезоэлектрических микрофонах звуковое давление воздействует на пьезокристалл, который генерирует электрический заряд пропорционально деформации. Такие микрофоны просты, дёшевы и устойчивы к влаге, но имеют неравномерную частотную характеристику и низкую чувствительность.

Классификация

По направленности

Направленность микрофона определяет его чувствительность к звуку, приходящему с разных направлений.

• Всенаправленные (ненаправленные) — одинаково чувствительны к звуку со всех сторон. Используются для записи общей атмосферы, в конференц-связи и в условиях, где источник звука может перемещаться.
• Двунаправленные (восьмёрка) — чувствительны к звуку спереди и сзади, но нечувствительны к звуку с боков. Применяются в стереофонической записи и для интервью.
• Однонаправленные (кардиоидные, суперкардиоидные, гиперкардиоидные) — максимально чувствительны к звуку с одного направления (обычно спереди) и подавляют звуки сзади и с боков. Наиболее распространённый тип для вокала, инструментов и репортажной съёмки.
• Остронаправленные (параболические, ружейные) — имеют очень узкую диаграмму направленности, позволяющую записывать звук с большого расстояния. Используются в киносъёмке, теленаблюдении и орнитологии.

По способу подключения

• Аналоговые — передают электрический сигнал в аналоговой форме (обычно по кабелю XLR, TRS или TS). Требуют внешнего микшерного пульта или звуковой карты.
• Цифровые — содержат встроенный аналого-цифровой преобразователь и передают цифровой сигнал (USB, Lightning, Bluetooth). Могут подключаться напрямую к компьютеру или смартфону.
• Беспроводные — состоят из передатчика (закреплённого на микрофоне или музыканте) и приёмника. Работают в радиодиапазоне (VHF, UHF) или по Bluetooth. Широко используются в театре, на концертах и в телевидении.

Устройство и характеристики

Основные технические характеристики

• Чувствительность — отношение выходного напряжения к звуковому давлению. Измеряется в милливольтах на паскаль (мВ/Па) или децибелах относительно 1 В/Па.
• Частотный диапазон — диапазон частот, в котором микрофон способен преобразовывать звук. Для речевых микрофонов обычно составляет 80–12000 Гц, для музыкальных — 20–20000 Гц.
• Уровень собственных шумов — уровень электрического шума, создаваемого самим микрофоном. Измеряется в дБА. Чем ниже значение, тем чище запись.
• Максимальный уровень звукового давления (SPL) — максимальная громкость, которую микрофон может выдержать без искажений. Измеряется в децибелах.
• Импеданс (выходное сопротивление) — электрическое сопротивление микрофона. Низкоомные микрофоны (до 600 Ом) предпочтительны для длинных кабелей, высокоомные (более 10 кОм) — для коротких.

Конструктивные элементы

• Диафрагма — основная колеблющаяся часть. Материал: майлар, полиэстер, алюминий, золото.
• Корпус — защищает внутренние элементы. Изготавливается из металла (сталь, алюминий, латунь) или пластика.
• Ветрозащита — поролоновый или меховой чехол (поп-фильтр), уменьшающий шум от ветра и взрывных согласных.
• Капсюль — узел, содержащий диафрагму и преобразователь.
• Разъём — XLR (профессиональный), TRS (Jack 6,35 мм или 3,5 мм), USB.

Применение

Звукозапись и музыка

В студиях звукозаписи используются преимущественно конденсаторные микрофоны с большой диафрагмой для вокала, акустических инструментов и оркестров. Динамические микрофоны (например, Shure SM58) — стандарт для живых выступлений и вокала на сцене благодаря их прочности и устойчивости к обратной связи.

Телевидение и радиовещание

В телевидении применяются петличные (лацканные) микрофоны для интервью и репортажей, а также ружейные микрофоны для съёмки с расстояния. В радиостудиях используются конденсаторные микрофоны с кардиоидной направленностью для минимизации фоновых шумов.

Связь и телекоммуникации

В телефонных аппаратах, гарнитурах и смартфонах используются миниатюрные электретные или MEMS-микрофоны. Они обеспечивают достаточное качество для разборчивой речи при минимальном энергопотреблении.

Научные и специальные применения

• Гидрофоны — микрофоны для работы под водой.
• Сейсмические микрофоны — для регистрации вибраций грунта.
• Стетоскопы — акустические микрофоны для медицинской диагностики.
• Слуховые аппараты — миниатюрные микрофоны с направленностью для улучшения восприятия речи.

Интересные факты

• Самый дорогой микрофон в мире — Neumann U47, выпускавшийся в 1950-х годах. Его стоимость на аукционах может превышать 50 000 долларов США.
• Микрофон Shure SM58, выпущенный в 1966 году, до сих пор остаётся самым популярным вокальным микрофоном в мире.
• В 2020 году компания Apple (организация признана экстремистской и запрещена в РФ) представила технологию пространственного аудио, использующую несколько микрофонов для создания эффекта объёмного звука.
• В космосе микрофоны не работают из-за отсутствия среды для распространения звука. Для связи с космонавтами используются радиоволны.

Источники

• ГОСТ 13699-91. Микрофоны. Термины и определения.
• Бобров А. В. «Электроакустика и звуковое вещание». — М.: Радио и связь, 1985.
• Eargle J. «The Microphone Book». — Focal Press, 2004.
• Гельфанд С. А. «Слух: введение в психологическую и физиологическую акустику». — М.: Медицина, 1984.