MIKROFONY

Mikrofon jest to przetwornik elektroakustyczny przetwarzający energię fali

dźwiękowej na energię elektryczną.

1. Podstawowe parametry mikrofonów

Podstawowe właściwości elektroakustyczne mikrofonów, a zarazem

ich jakość określone są przez następujące parametry:

1) skuteczność,

2) charakterystyka częstotliwościowa,

3) charakterystyka kierunkowa,

4) dynamika

5) moduł impedancji znamionowej,

6) wrażliwość na magnetyczne lub elektryczne pola zakłócające.

1

ad 1)

Skuteczność mikrofonu w jest to stosunek wartości napięcia na

wyjściu nieobciążonego mikrofonu do wartości ciśnienia akustycznego fali

w miejscu ustawienia mikrofonu przy określonej częstotliwości

i kącie padania fali (zwykle 1000 Hz prostopadle do osi).

M =

U
p

gdzie:

M - skuteczność mikrofonu [V/Pa] lub [mV/Pa] (rzadziej w V•m

2

/N)

U - wartość skuteczna napięcia mikrofonu [V] lub [mV]

p - wartość ciśnienia akustycznego [Pa].

Czasami określa się poziom skuteczności w dB w stosunku do

poziomu 1 V/Pa.

Pomiar skuteczności wykonuje się w komorze bezechowej

umieszczając mikrofon w odległości 1 m od źródła dźwięku na osi

geometrycznej mikrofonu. Ciśnienie akustyczne w miejscu umieszczenia

mikrofonu powinno być stałe i wynosić 0,2 Pa ± 0,5 dB.

ad 2)

Charakterystyka częstotliwościowa jest to wykres skuteczności

mikrofonu w funkcji częstotliwości, zwykle określana jako tzw. pasmo

przenoszenia mikrofonu. Zależy od budowy mikrofonu, materiału z

jakiego wykonano membranę i jakości wykonania.

Typowy wykres charakterystyki częstotliwościowej wygląda jak na rys.:

2

M [mV/Pa]

0dB

-3dB

f
f

d

f

g

ad 3)

Charakterystyka kierunkowa określa zmiany skuteczności w

funkcji kąta, pod jakim pada fala dźwiękowa w stosunku do osi mikrofonu

dla określonej częstotliwości, zwykle dla 1000 Hz (rysunek).

α

Badanie charakterystyk kierunkowych przeprowadza się obracając

mikrofon wokół osi prostopadłej do osi symetrii mikrofonu przechodzącej

przez środek głównego wejścia mikrofonu dla różnych częstotliwości.

Ze względu na różne reagowanie mikrofonów na kierunek padania

na nie fali dźwiękowej mikrofony dzieli się na:

a) wszechkierunkowe (tzw. kulowe, bezkierunkowe, dookólne),

b) dwukierunkowe (ósemkowe),

c) jednokierunkowe (kardioidalne, nerkowe i inne).

ad a)

Mikrofony wszechkierunkowe wykazują jednakową skuteczność bez

3

względu na kierunek padania fal dźwiękowych (typowe tzw. sitko).

Zalety: mniejsza wrażliwość na odgłosy oddechu i wstrząsy mechaniczne

wady: wrażliwość na zjawiska pogłosowe w pomieszczeniach.

ad b)

Mikrofony dwukierunkowe są wrażliwe na falę dźwiękową z przodu i

z tyłu mikrofonu, najczęściej posiadają charakterystykę ósemkową.

Zaleta: tłumi dźwięki dochodzące z boku.

Charakterystyka mikrofonu dwukierunkowego może wyglądać jak na

rysunku:

ad c)

Mikrofony jednokierunkowe mają największą skuteczność dla fal

biegnących w kierunku membrany wzdłuż osi mikrofonu. Efekt ten

uzyskano wprowadzając niewielki, precyzyjnie usytuowany otwór w tylnej

ściance obudowy mikrofonu (powoduje zanik różnicy ciśnień dla innych

kierunków).

Odmianą mikrofonów jednokierunkowych są tzw. mikrofony

interferencyjne. Mikrofony interferencyjne są mikrofonami wybitnie

kierunkowymi. Przeznaczone są do odbioru dźwięków pochodzących z

odległych źródeł. Stosowane są głównie w filmie i w telewizji, ale mogą

być przydatne do podsłuchu rozmowy między sędzią piłkarskim a

zawodnikami na środku stadionu (powiedzieć o przyczynach likwidacji

tego efektu w polskich meczach).

4

Mikrofony tego typu wykorzystują przysłonę akustyczną w postaci

długiej rury (o długości do 1 m), wzdłuż której znajdują się otwory z

odpowiednio dobranymi filtrami akustycznymi. Fale dźwiękowe nie

padające wzdłuż osi rury ulegają silnemu tłumieniu (rysunek).

Według doniesień telewizyjnych naukowcy japońscy skonstruowali

mikrofon jednokierunkowy, którym z odległości 250m i wysokości 6 piętra

udało się wydzielić głos pojedynczego człowieka z rozentuzjazmowanego

tłumu w czasie demonstracji.

Wadami mikrofonów interferencyjnych są duże wymiary oraz

znaczne różnice charakterystyki częstotliwościowej zależnej od kierunku

padania fali dźwiękowej. Ta ostatnia wada jest w niektórych przypadkach

zaletą, gdyż dokładne ustawienie mikrofonu np. na podsłuchiwany obiekt

przez policję może być uzyskane przez odsłuch sygnału na słuchawkach.

Mikrofony kierunkowe mogą być wykonane jako mikrofony o stałej

charakterystyce kierunkowości (kołowej, ósemkowej, kardioidalnej ) lub

jako mikrofony o kilku charakterystykach przełączalnych w sposób ciągły

lub skokowo.

Mikrofon wszechkierunkowy ma jednakową skuteczność dla

wszystkich kierunków padania fali dźwiękowej.

ad 4)

Dynamika jest to stosunek maksymalnego ciśnienia akustycznego,

nie powodującego jeszcze zniekształceń nieliniowych sygnału

5

otwory

filtruj¹ce

wyjściowego o określonej wartości do poziomu ciśnienia akustycznego

równoważnego szumom własnym mikrofonu.

Istotny tu jest dodatkowy typowy parametr - zniekształcenia nieliniowe

mikrofonu, które zwykle mieszczą się w przedziale 0,2 % ÷ 1 %.

ad 5)

Moduł impedancji znamionowej jest to wartość impedancji

mierzona na końcówkach wyjściowych mikrofonu umieszczonego w polu

akustycznym swobodnym, przy ciśnieniu akustycznym 0,2 Pa i

częstotliwości 1000 Hz. Mierzy się na zaciskach napięcie stanu jałowego

(bez obciążenia), a następnie wyznacza wartość rezystancji obciążającej

mikrofon, przy której napięcie wyjściowe jest równe połowie napięcia

stanu jałowego. Wartość ta jest przydatna przy obliczaniu dopasowania

mikrofonu do układu.

ad 6)

Wrażliwość mikrofonu na magnetyczne pole zakłócające (w mV/

A/m) określa się stosunkiem napięcia na nieobciążonym wyjściu

mikrofonu umieszczonego w jednorodnym polu magnetycznym

zakłócającym o wartości 4 A/m. W celu pomiaru mikrofon umieszcza się

w środku cewki zasilanej napięciem zmiennym o częstotliwości 50 Hz.

Wrażliwość mikrofonu na elektryczne pole zakłócające (w mV/V)

określa się przez pomiar napięcia na wyjściu nieobciążonego mikrofonu

wewnątrz metalowego walca, do którego przyłączono napięcie 300 V o

częstotliwości 50 Hz.

W zależności od tego, czy jedna czy obie strony membrany są

aktywne, mikrofony dzielimy na:

6

1) mikrofony ciśnieniowe

2) mikrofony gradientowe

3) mikrofony ciśnieniowo-gradientowe .

ad 1)

W mikrofonach ciśnieniowych drgania przetwornika następują

wskutek działania ciśnienia akustycznego na jedną stronę membrany. Tył

membrany jest zamknięty całkowicie w sztywnej obudowie.

Wady:

- kierunkowość zależy od częstotliwości sygnału,

- zakłóca falę dźwiękową.

ad 2)

W mikrofonach gradientowych drgania przetwornika następują

wskutek działania różnicy ciśnień akustycznych po obu stronach

membrany. Membrana jest otwarta z obu stron na działanie fali

dźwiękowej. Są to mikrofony o typowej charakterystyce ósemkowej.

Wada:

- nieliniowa charakterystyka częstotliwościowa, wymagająca korekcji.

ad 3)

W mikrofonach ciśnieniowo-gradientowych drgania membrany

następują przez jednoczesne działanie obu tych czynników. Łączą cechy

obu poprzednich rodzajów.

7

2. Budowa mikrofonów

Pod względem budowy i zasady działania mikrofony dzieli się na:

1) węglowe

2) magnetoelektryczne (dynamiczne),

3) piezoelektryczne,

4) pojemnościowe,

5) elektretowe.

ad 1)

Działanie mikrofonu węglowego jest oparte na zmianach

rezystancji proszku węglowego pod wpływem ucisku wywieranego przez

membranę (rysunek).

membrana elektroda stała

p

foniczny

proszek węglowy sygnał wyjściowy

+ -

Przez komorę z proszkiem węglowym i uzwojenie pierwotne

transformatora jest przepuszczany prąd stały z pomocniczego źródła.

Pod wpływem zmian ciśnienia wywołanych falą akustyczną membrana

naciska na proszek, zgniatając go. Wskutek zmian rezystancji proszku

węglowego wartość prądu ulega wahaniu w takt drgań membrany. W

uzwojeniu wtórnym transformatora występuje zmienne napięcie - sygnał

foniczny.

8

Mikrofony węglowe są stosunkowo odporne mechanicznie,

wyróżniają się dużą skutecznością [1 V/Pa] i mogą mieć (zależnie od

wykonania) impedancję rzędu kilkuset omów, dzięki czemu można je

dołączyć bezpośrednio, bez wzmacniaczy; do przewodów. Z tych

względów znajdują powszechne zastosowanie w urządzeniach

telefonicznych (tzw. telefoniczne wkładki mikrofonowe). Ze względu na

duży poziom szumów, spiekanie się proszków węglowych i niestabilność

pracy nie są dzisiaj używane w torach fonicznych wysokiej jakości.

ad 2)

W mikrofonach dynamicznych elementem przetwarzającym jest

cewka przymocowana do membrany lub metalowa wstążka, która jest

jednocześnie membraną. Każda z nich porusza się w polu magnesu

stałego (rysunek).

9

Działanie mikrofonów dynamicznych jest oparte na znanej z fizyki

zasadzie, że w przewodzie elektrycznym poruszającym się w polu

magnesu stałego prostopadle do strumienia magnetycznego indukuje się

siła elektromotoryczna. Siła ta jest wprost proporcjonalna do prędkości

przemieszczania się tego przewodu, czyli w przypadku mikrofonu

szybkości drgań membrany. W wypadku membrany z cewką, siła

elektromotoryczna wytwarzana jest na końcach cewki, w mikrofonie z

wstążką jest ona membraną i uzwojeniem indukującym.

ad 3)

Mikrofony piezoelektryczne często są nazywane krystaliczne lub

ceramiczne, ponieważ wykorzystuje się w nich właściwości niektórych

kryształów lub materiałów ceramicznych. Membrana mikrofonu

krystalicznego lub ceramicznego jest przymocowana do materiału o

właściwościach piezoelektrycznych, który przy odkształceniu wytwarza na

wyjściu napięcie elektryczne. Materiałem takim może być np. kryształ

winianu sodowo-potasowego, czyli tzw. sól Rochelle'a oraz różne

materiały ceramiczne (rysunek).

10

Ponieważ właściwości materiałów piezoelektrycznych zależą od

temperatury i wilgotności, ich zastosowanie ogranicza się do tanich

urządzeń powszechnego użytku.

ad 3)

Mikrofon pojemnościowy jest w istocie kondensatorem o

specjalnej budowie, składającym się z dwóch okładzin. Jedna z okładzin

kondensatora jest nieruchoma, natomiast drugą stanowi napięta

membrana wykonana z materiału nieprzewodzącego, najczęściej z

tworzywa, pokryta cienką warstwą złota. Tak wykonany kondensator o

niewielkiej pojemności, rzędu 100 pF, stanowi serce mikrofonu

pojemnościowego. Podczas drgań wywołanych falą akustyczną,

membrana zbliżając się i oddalając od elektrody stałej zmienia pojemność

utworzonego kondensatora o wartość ±

∆

C, odpowiadającą zmianom

ciśnienia akustycznego. Wartość ta jest przetwarzana na odpowiadający

jej sygnał elektryczny.

Stosuje się trzy metody przetwarzania zmiany pojemności na sygnał

foniczny:

a) praca z polaryzacją zewnętrzną,

b) praca z polaryzacją wewnętrzną,

c) praca z układem w.cz.

ad a)

Polaryzacja zewnętrzna polega na przyłączeniu do kondensatora

mikrofonu napięcia stałego, poprzez rezystor o dużej wartości, rzędu

100 M

Ω

i dzięki temu wprowadzenie do niego ładunku (rysunek).

11

Ponieważ zmiana pojemności kondensatora przy stałym ładunku

spowoduje zmianę napięcia zgodnie z zależnością:

C=Q/U

czyli :

Q = (U

0

±

∆

U) x (C

0

+

∆

C )

Zmiany napięcia, będące elektrycznym odzwierciedleniem sygnału

akustycznego, są wzmacniane w dalszych częściach toru. Z uwagi na

bardzo dużą rezystancję wyjściową przetwornika, sygnał nie może być

przesyłany kablem, lecz musi być zastosowany specjalny wzmacniacz

pełniący funkcję transformatora impedancji.

ad b)

W mikrofonach z polaryzacją wewnętrzną (rysunek) membrana jest

wytworzona z folii poliestrowej, metalizowanej z jednej strony i trwale

spolaryzowanej elektrycznie; jest to tzw. elektret.

12

Działanie mikrofonu jest identyczne jak mikrofonu z polaryzacją

zewnętrzną. Drgania membrany powodują zmiany pojemności, a co za

tym idzie, zmiany napięcia na okładkach kondensatora.

Podobnie jak poprzednio, z uwagi na bardzo dużą rezystancję

wyjściową przetwornika elektretowego, konieczne jest zastosowanie

transformatora impedancji.

Kondensator mikrofonu pojemnościowego, zwany również wkładką

mikrofonu pojemnościowego, stanowi źródło napięciowe o dużej

impedancji wewnętrznej o charakterze pojemnościowym. Duża

impedancja wkładki powoduje, że nie można dołączyć do niej

bezpośrednio przewodu mikrofonowego. Dlatego do wkładki mikrofonu

pojemnościowego jest zwykle przybudowany wzmacniacz

przymikrofonowy (rysunek).

13

Zadaniem tego wzmacniacza jest transformacja dużej impedancji

wkładki na małą impedancję wyjściową mikrofonu. Dlatego mówiąc o

mikrofonie pojemnościowym mamy zwykle na myśli całość, to znaczy

wkładkę pojemnościową wraz ze wzmacniaczem.

Z uwagi na prostą konstrukcję ten typ mikrofonów pojemnościowych

rozpowszechniony jest najbardziej.

ad c)

Współpraca mikrofonu pojemnościowego z układem w.cz. polega na

przestrajaniu obwodu rezonansowego przez pojemność mikrofonu o

zmiennej wartości, stanowiącą część składową generatora w.cz. Przebieg

w.cz. generatora jest zmodulowany sygnałem fonicznym odzyskiwanym

po demodulacji (rysunek).

14

Współczesne mikrofony pojemnościowe typu elektretowego cechuje

odporność mechaniczna porównywalna z mikrofonami dynamicznymi. Są

to jednocześnie mikrofony przenoszące najszersze pasmo częstotliwości

i z najbardziej wyrównaną charakterystyką fazową.

Pewnym problemem jest konieczność dostarczania do mikrofonu

pojemnościowego napięcia zasilającego. Sprawa ta jest rozwiązywana w

różny sposób, najczęściej za pomocą zasilania typu „phantom” (rysunek).

15

Kłopoty z zasilaniem oraz niewygoda związana z „plączącymi się”

kablami skłoniły producentów do konstrukcji mikrofonów

bezprzewodowych, z wykorzystaniem nadajników i odbiorników UKF.

Trudności techniczne polegały na konieczności osiągnięcia małych

rozmiarów i małej masy urządzenia nadawczego przy takich samych

parametrach co mikrofony kablowe. Nadajnik radiowy wewnątrz

mikrofonu promieniuje moc rzędu 1-50mW. Do zasilania stosowane są

lekkie baterie, których pojemność wystarcza na kilka godzin pracy.

Częstotliwość takiego mikrofonu musi być uzgodniona z Polską

Agencją Radiową ( najczęściej w granicach 20÷960MHz).

Wykonywane są w dwóch wersjach:

- handheld - do trzymania w ręku
- bodypack transmitter - noszony w kieszeni lub przy pasku, a przy

dużej miniaturyzacji nawet w klapie czy spince od krawata.

Największy problem, jaki występuje przy stosowaniu tych mikrofonów to

zaniki sygnału spowodowane interferencjami z falami odbitymi i

ekranowaniem przez różne obiekty, a także rosnący coraz bardziej

poziom zakłóceń w eterze. Aby rozwiązać te problemy, stosuje się trzy

podstawowe metody:

- realizację odbioru przestrzennie zbiorczego, tzw. diversity, czyli odbiór

zbiorczy dwuantenowy,

- wykorzystywanie wyższych zakresów częstotliwości nośnych UHF;

- wprowadzania systemu kompanderyzacji, czyli kompresji przed

transmisją oraz ekspansji po odbiorze.

16

Rodzaje mikrofonów pod względem zastosowania

Różnorodność warunków, w jakich pracują mikrofony, powoduje, że

duże znaczenie ma dobór mikrofonów pod względem konstrukcji,

wielkości, masy, parametrów itp.

Podstawowe rodzaje mikrofonów pod względem zastosowania:

1). Mikrofony studyjne - najszersze pasmo przenoszenia, najmniejsze

szumy, największa wierność odtwarzanego dźwięku. Głównie

są to wysokiej klasy mikrofony pojemnościowe o przełączanej

kierunkowości (kulista, kardioidalna, superkardioidalna, hiperkardioidalna,

maczugowata, ósemkowa itp.).Posiadają dodatkowe przełączane filtry.

2). Mikrofony dla solistów muzyki klasycznej - uniwersalne

pojemnościowe mikrofony studyjne lub bardzo dobre mikrofony

dynamiczne.

3). Mikrofony dla wokalistów estradowych - specjalna grupa

mikrofonów dynamicznych (ostatnio również pojemnościowych) ,

elastycznie zamocowanych w obudowie, odpornej na wstrząsy i

uderzenia, osłona z odpowiedniej siatki eliminująca podmuchy przy

zbliżaniu mikrofonu do ust, podniesiona charakterystyka w zakresie

1 ÷ 5 kHz, wyłącznik , korektor basów , estetyczny wygląd; specjalną

odmianę stanowią mikrofony nagłowne przeznaczone np. dla gitarzystów,

często sprzężone ze słuchawkami ( pokazać ten z bateriami).

17

4). Mikrofony dla konferansjerów i dziennikarzy - dynamiczne lub

pojemnościowe mikrofony małych rozmiarów, przystosowane do

zawieszenia na szyi lub wpięcia w klapę marynarki ( niektóre są tak małe,

że niewidoczne dla widzów).

5). Estradowe mikrofony instrumentalne - pojemnościowe lub

elektretowe, mocowane przy instrumencie (np. u wylotu trąbki lub na

gryfie skrzypiec )

6). Mikrofony do bębnów i kotłów - muszą znosić b. duże ciśnienie

akustyczne i przenoszą najniższe tony - 30-60Hz.

7). Mikrofony do magnetofonów kasetowych i reporterskich oraz do

głośno mówiących aparatów telefonicznych i innych podobnych urządzeń

- głównie pojemnościowe (pokazać), o małych wymiarach, dużej czułości

i stosunkowo wąskim paśmie przenoszenia (200Hz do 7-10kHz) aby

maksymalnie zwiększyć zrozumiałość mowy i ograniczyć zniekształcenia

i zakłócenia.

8). Mikrofony płaszczyzny ograniczającej - bardzo profesjonalne,

o specjalnej konstrukcji, umieszczane w pobliżu ściany lub podłogi studia

czy sali koncertowej - stosuje się do konkretnych celów indywidualnie, np.

do odbierania dźwięków z sali (oklaski, głosy publiczności, śmiechy).

18