Микрофон: преобразование звука в электрический сигнал¶
Микрофон — это электроакустический преобразователь (датчик), который преобразует звуковые колебания в электрические сигналы, повторяющие по форме амплитуду и частоту исходного акустического давления. Микрофоны являются основным элементом систем записи, передачи и усиления звука — от студийных комплексов и мобильных телефонов до промышленных шумомеров и военных систем связи.
¶Принцип работы
В основе работы любого микрофона лежит обратимый принцип: большинство микрофонов могут работать и как излучатели (динамики), однако при их использовании в роли микрофона звуковая волна воздействует на чувствительный элемент (мембрану или диафрагму), механические колебания которой преобразуются в электрический сигнал различными способами в зависимости от типа преобразования.
Уровень выходного сигнала типичного динамического микрофона составляет 1–10 мВ, у пьезоэлектрических — до 100 мВ, у конденсаторных — доли вольта, что требует применения предусилителей.
¶Основные типы
¶Динамические микрофоны
Динамический (электродинамический) микрофон работает по принципу, обратному работе динамика. Мембрана соединена с катушкой провода, помещённой в магнитное поле постоянного магнита. Звуковые колебания заставляют катушку двигаться в магнитном поле, и в ней наводится ЭДС, пропорциональная скорости движения. Такие микрофоны не требуют внешнего питания, отличаются надёжностью, устойчивы к высокому звуковому давлению, но имеют ограниченную частотную характеристику на верхних частотах.
¶Конденсаторные микрофоны
В конденсаторном микрофоне мембрана образует подвижную пластину конденсатора, ёмкость которого изменяется при колебаниях звука. При постоянном заряде изменение ёмкости вызывает изменение напряжения на пластинах. Существуют две разновидности:
- Электростатические (классические конденсаторные) — требуют внешнего поляризационного напряжения (обычно 48 В фантомного питания).
- Электретные — используют материал с постоянным поверхностным зарядом (электрет), что позволяет отказаться от внешней поляризации. Наиболее массовый тип микрофонов в бытовой и мобильной электронике.
Конденсаторные микрофоны обладают широкой полосой пропускания и высокой чувствительностью, но чувствительны к влажности и требуют аккуратной механики.
¶Пьезоэлектрические микрофоны
Преобразование звука в электрический сигнал в таких устройствах основано на пьезоэффекте: кристалл или керамика с пьезоэлектрическим свойством вырабатывает напряжение при механическом деформировании. Микрофоны этого типа просты и дёшевы, применяются в диктофонах, детских игрушках и недорогой аппаратуре, но обладают заметными искажениями и грубой частотной характеристикой.
¶Ленточные микрофоны
Ленточный микрофон — разновидность динамического: вместо катушки в магнитном поле находится тонкая металлическая лента. Такие микрофоны дают мягкое, «тёплое» звучание и традиционно применяются в студиях звукозаписи для вокала и духовых инструментов.
¶МЭМС-микрофоны
МЭМС (Micro-Electro-Mechanical Systems) — микрофоны, изготовленные полупроводниковыми технологиями на кремниевых пластинах. Обычно это конденсаторный преобразователь, интегрированный с усилителем в одном корпусе. МЭМС-микрофоны имеют крошечные размеры, низкое энергопотребление и массово применяются в смартфонах, наушниках, ноутбуках и системах распознавания речи.
¶Характеристики
Ключевые параметры микрофонов:
| Параметр | Описание |
|---|---|
| Чувствительность | Отношение выходного напряжения к звуковому давлению, выражается в мВ/Па или дБВ/Па |
| Частотная характеристика | Диапазон частот, которые микрофон преобразует с приемлемыми искажениями |
| Направленность | Характер зависимости чувствительности от направления на источник звука |
| Уровень собственного шума | Шум, создаваемый самим микрофоном при отсутствии звука |
| Максимальный уровень звукового давления | Порог, выше которого появляются грубые искажения |
По направленности микрофоны делятся на ненаправленные (сферические), кардиоидные (чувствительны к звуку спереди), гиперкардиоидные, сверхкардиоидные и подковообразные (петличные). Выбор направленности определяется задачей: кардиоидные модели снижают обратную связь на сцене, подковообразные используются для захвата речи с расстояния.
¶Применение
Микрофоны применяются в широком спектре областей:
- Звукозапись и вещание — студийные конденсаторные и ленточные микрофоны.
- Сценический звук — динамические кардиоидные микрофоны для вокала и инструментов.
- Мобильная электроника — МЭМС и электретные микрофоны в смартфонах и гарнитурах.
- Телефония и конференц-связь — массивы микрофонов с алгоритмами формирования диаграммы направленности.
- Наука и промышленность — акустическая диагностика, шумомеры, ультразвуковые датчики.
- Медицина — фонендоскопы, аппараты для исследования слуха.
¶История
Первый микрофон, продемонстрированный в 1876 году Александром Беллом для телефонного аппарата, был механическим — жидкостным. В 1877 году Эмиль Берлинер изобрёл угольный микрофон, ставший основой телефонии на десятилетия. Электродинамический микрофон запатентовал Чарльз Каммингс в 1877 году, а пьезоэлектрический — поляк Ян Чеховский в 1925 году. В 1917 году Эдвин Прайд разработал первый конденсаторный микрофон, а в 1962 году в лабораториях Bell Labs был создан первый МЭМС-подобный преобразователь — миниатюрный «кристаллический» телефонный микрофон.
В Советском Союзе производством студийных микрофонов занимались заводы «Метрострой» (Москва) и «Электрон», выпускались модели «Октава», «Родина», «Мика», ставшие классикой отечественной звукозаписи.
¶Источники
- Фролов М. А. «Акустические измерения»
- Быков В. И. «Техника звукозаписи»
- Большая медицинская энциклопедия, раздел «Медицинская техника»
- Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона