Temat: Rodzaje mikrofonów. Budowa i zasada działania mikrofonu elektretowego i słuchawki elektretowej. Podstawowe parametry.

Przygotowali:

Damian Świrski

Łukasz Krupa

Mikrofon – przetwornik elektroakustyczny służący do przetwarzania fal dźwiękowych na przemienny prąd elektryczny.

Słowo mikrofon po raz pierwszy pojawiło się w słownikach pod koniec XVII wieku, oznaczając "instrument zwiększający głośność dźwięku", czyli trąbkę przystawianą do ucha. Pierwszy mikrofon został skonstruowany w 1827 roku przez Charlesa Wheatstone'a. Jednak pierwsze mikrofony, tzw. mikrofony kwasowe, które pojawiły się w latach 70. XIX wieku za sprawą Graya i Bella wykorzystano w początkach telefonii

Rodzaje mikrofonów

Ze względu na zastosowany typ przetwornika elektroakustycznego, mikrofony dzielimy na:

Mikrofon kwasowy

W latach 70. XIX wieku za sprawą Graya i Bella pojawiły się pierwsze mikrofony kwasowe, w których połączona z membraną iglica porusza się w rozcieńczonym kwasie. Wykorzystano je wówczas w raczkującej telefonii.

Mikrofon stykowy (węglowy)

Mikrofon węglowy marki Grundig

Mikrofony węglowe zostały opracowane przez Edisona jako rozwinięcie mikrofonu kwasowego, w którym kwas zastąpiono granulkami węgla, zmieniającymi swą rezystencję pod wpływem ciśnienia wywieranego przez membranę na granulat. Stosowano je przeważnie w telefonach.

Zakres przetwarzania jest bardzo wąski, węższy niż widmo mowy ludzkiej, a zniekształcenia w porównaniu do innych typów mikrofonów są bardzo duże. Jednak konstrukcja mikrofonów jest tak prosta więc są one prawie bezawaryjne, posiadają one także dużą skuteczność oraz są trwałe i tanie.

Przepływ prądu moduluje się poprzez zmianę rezystancji elektrycznej spowodowanej poruszaniem się części mechanicznych mikrofonu. Mikrofony są podłużne, w których komorę tworzy płaska nieruchoma elektroda węglowa, odizolowana od ścianki pudełka, pierścień filcowy oraz membrana węglowa oparta na krawędzi pudełka i dociśnięta do niego przykrywka z otworami. Pierścień filcowy tłumi drgania własne membrany. Prąd elektryczny doprowadzany jest do wkładki za pośrednictwem sprężyn stykowych w mikrotelefonie i płynie przez pudełko, membranę i proszek do elektrody nieruchomej. Zmiany rezystancji wkładki są proporcjonalne do zmiany zgniotu proszku, czyli do wychylania się membrany.

Mikrofon piezoelektryczny

Pod względem elektrycznym mikrofony piezoelektryczne są kondensatorami. Przetwarzają one sygnał akustyczny w sygnał napięciowy. Są bardzo wrażliwe na wilgoć i zmiany temperatury, gdyż zbyt wysoka temperatura powoduje trwałe zmiany w ich działaniu. Wykazują one także bardzo dużą impedancję wewnętrzną o charakterze pojemnościowym, co utrudnia łączenie ich długimi przewodami. Szeroko natomiast stosowane są jako mikrofony, a ściślej - przetworniki, w instrumentach akustycznych. Szczególnie wiernie odtwarzają wysokie tony i są także stosowane jako czujniki ultradźwięków.

Mikrofon dynamiczny (magnetoelektryczny)

Mikrofon dynamiczny marki Sennheiser

Drgania powietrza wytwarzane przez fale dźwiękowe poruszają cienką elastyczną membranę i połączoną z nią cewkę umieszczoną w silnym polu magnetycznym wytwarzanym przez magnes. W wyniku tego generowane jest napięcie na zaciskach cewki - siła elektrodynamiczna, czyli drgania umieszczonej pomiędzy biegunami magnesu cewki, wzbudzają w niej prąd elektryczny o częstotliwości odpowiadającej częstości drgań fal dźwiękowych.

Podstawową zaletą tej konstrukcji jest prostota i brak konieczności zewnętrznego zasilania. Aby uzyskać wyższe napięcie na wyjściu mikrofonu, należy zastosować cewkę o większej ilości zwojów, która z kolei jest cięższa i ma większą rezystancję, a zatem i większą bezwładność i szumy termiczne, co w konsekwencji utrudni mikrofonowi przetwarzanie wyższych częstotliwości i szybkich impulsów.

W. C. Wenete oraz A. C. Thuras z firmy Bell Labs opatentowali w 1931 roku mikrofon dynamiczny. Wewnątrz mikrofonu magnetoelektrycznego, pomiędzy biegunami magnesu stałego, znajduje się cewka przymocowana do membrany. W mikrofonach cewkowych fale dźwiękowe, wprawiając membranę w drgania, powodują poruszanie się cewki w polu magnesu i indukują w niej prąd. W mikrofonach wstęgowych membrana jest jednocześnie przewodnikiem w którym indukuje się prąd.

• Mikrofon cewkowy - głównymi elementami cewkowych mikrofonów są nabiegunnik będący źródłem stałego pola magnetycznego oraz membrana uformowana do postaci kulistej czaszy (często specjalnie pofałdowanej, aby zwiększyć obszar podatności), do której z kolei przymocowana jest cewka nawinięta metodą bezszkieletową. Ruch membrany pod wpływem fali mechanicznej powoduje ruch cewki w polu magnetycznym nabiegunnika, co powoduje powstanie w obszarze cewki sił elektromotorycznych, które z kolei powodują przepływ prądu.

Mikrofony te cechuje dobra kierunkowość i skuteczność, uwydatnianie mniejszych częstotliwości akustycznych i rezystancja w granicach kilkuset Ω.

• Mikrofon wstęgowy - odbiornik energii akustycznej stanowi tutaj cienka wstęga aluminiowa, zawieszona między nabiegunnikami magnesu. Tylko jedna strona wstęgi jest otwarta i wystawiona na działanie fal akustycznych. Druga strona jest osłonięta szczelną obudową, zakończoną długą rurką, zwinięta spiralnie w pudle stanowiącym podstawę mikrofonu. Wstęga mikrofonu wykonana jest z paska blachy aluminiowej, pofałdowanego na całej długości, w celu nadania większej giętkości w kierunku ruchu i sztywnienia w kierunku poprzecznym dla zabezpieczenia przed skręcaniem. Ze względu na dużą wrażliwość wstęga jest podatna na wszelkie ruchy powietrza i przy silniejszym podmuchu może ulec trwałemu odkształceniu, a nawet zerwaniu. Dla ochrony przed tym mikrofony osłania się drucianą siatką.

Mikrofon laserowy

Wiązka lasera odbijając się od drgającej powierzchni pada na różne miejsca elementu światłoczułego odbiornika. Sygnał jest zależny od miejsca na elemencie światłoczułym. Drgającą powierzchnią może być na przykład szyba w oknie - stąd możliwe są zastosowania tego typu mikrofonu przez służby specjalne.

Mikrofon światłowodowy

Wiązka światła przesyłana przez pierwszy światłowód po odbiciu od środka membrany pada na początek drugiego światłowodu. Drgania membrany powodują zmiany natężenia światła, które następnie zostają zamienione na sygnał elektryczny. Ze względu na małą masę membrany, która może być wykonana z cienkiej folii metalowej charakterystyka częstotliwościowa takiego przetwornika jest podobna jak mikrofonu pojemnościowego.

Mikrofon pojemnościowy (elektrostatyczny)

Mikrofony pojemnościowe do zastosowań transmisyjnych marki Audio Technica

Mikrofon pojemnościowy składa się z dwóch elektrod podłączonych do źródła napięcia stałego. Jedna z elektrod jest nieruchoma, natomiast drugą stanowi membrana wystawiona na działanie fal dźwiękowych, które wprawiają ją w drgania. Elektrody mikrofonu pełnią rolę okładek kondensatora więc zmiana odległości pomiędzy elektrodami powoduje zmianę pojemności takiego kondensatora, co z kolei powoduje powstanie składowej zmiennej w stałym napięciu zasilającym kondensator. Jej częstotliwość jest równa częstotliwości padającej fali dźwiękowej. Aby uzyskać duży sygnał wyjściowy, membrana mikrofonu musi być na dość wysokim potencjale względem elektrody nieruchomej. Zwykle jest to napięcie 48V, doprowadzone z zewnątrz ekranowanym kablem zasilającym, który jest jednocześnie kablem sygnałowym (tzw. zasilanie Phantom).

Charakterystyczną cechą mikrofonów pojemnościowych jest bardzo mała masa (a więc i bezwładność) układu drgającego, w formie membrany wykonanej z bardzo cienkiej folii. Pozwala to na skonstruowanie mikrofonów wiernie przetwarzających przebiegi impulsowe i przenoszących równomiernie szerokie pasmo częstotliwości^[2].

Wykorzystuje się je głównie w celach profesjonalnych.

Mikrofon pojemnościowy wielkiej częstotliwości (w.cz.)

Tego typu mikrofony zawierają generator wysokiej częstotliwości oraz układ symetrycznego modulatora i demodulatora. Zmiana pojemności między elektrodami mikrofonu powoduje modulowanie amplitudy przebiegów w.cz., z których po demodulacji otrzymuje się przebieg małej częstotliwości (m.cz.), odpowiadający zmianom ciśnienia akustycznego na membranie. Dzięki zastosowaniu symetrycznych układów mostkowych i wysokiej częstotliwości prądu modulowanego, mikrofony te mają bardzo dobre parametry i niskie szumy własne.

Mikrofon elektretowy

Rys. 1. Mikrofony elektretowe o dwóch końcówkach.

Mikrofon elektretowy – odmiana mikrofonu pojemnościowego, którego membrana albo nieruchoma okładzina wykonana jest z elektretu - dielektryka o trwałej polaryzacji elektrycznej. Niski koszt produkcji i prostota zasilania (zbędne napięcie polaryzujące - typowo 48V) spowodowały powszechność zastosowań w tanim sprzęcie powszechnego użytku, co przydało im złą sławę mikrofonów o niskiej jakości. Tani sprzęt rzeczywiście nie stawiał wymagań jakościowych, więc mikrofony w tym sprzęcie również nie musiały być dobrej jakości, choćby ze względów ekonomicznych. Jednak nawet najsłabsze jakościowo mikrofony elektretowe i tak były nieporównanie lepsze od najlepszych mikrofonów węglowych (powszechnie stosowanych dawniej w telefonii stacjonarnej) pod względem takich parametrów jak pasmo przenoszenia, czy zniekształcenia nieliniowe. Obecnie praktycznie każde urządzenie typu telefon (zarówno komórkowy jak i stacjonarny), domofon, palmtop, kamera wideo zawiera mikrofon elektretowy. Olbrzymia skala produkcji spowodowała dalsze obniżenie cen. Zadziałał efekt psychologiczny - coś, co jest tanie, nie może być dobre. Jednak współczesne najlepsze mikrofony elektretowe skutecznie rywalizują z klasycznymi mikrofonami pojemnościowymi (nawet polaryzowanymi napięciem do 200V). w zakresie wysokiej czułości, długoterminowej stabilności i ultra płaskiej charakterystyki przenoszenia wymaganej od mikrofonów pomiarowych. Dlatego mikrofony elektretowe są używane w profesjonalnych miernikach poziomu dźwięku, także tych najwyższej klasy, tzn. klasy 1.

Budowa

Rys. 2. Konstrukcja mikrofonu elektretowego

Rys. 3. Typowy przedwzmacniacz mikrofonu elektretowego jest oparty na tranzystorze polowym pracującym w układzie wspólnego źródła. Tranzystor musi być zasilany przez zewnętrzne źródło napięcia V₊. Wartość rezystora decyduje o wzmocnieniu i impedancji wyjściowej. Znajdujący się na wyjściu kondensator służy do wyeliminowania składowej stałej.

Kapsuła mikrofonu elektretowego ma budowę podobną do kondensatora. Membrana jest wykonana ze spolaryzowanej folii elektretowej ,pokrytej od strony zewnętrznej warstewką metalu, która stanowi jedną okładzinę kondensatora. Drugą okładziną jest sztywna płytka. Ciśnienie akustyczne oddziałujące na membranę powoduje zmianę pojemności kondensatora. Pojemność ta jest jednak bardzo mała, co przekłada się na wysoką impedancję kapsuły. Mikrofon elektretowy musi być wyposażony we wzmacniacz przy mikrofonowy, czy inaczej – układ transformujący impedancję, umożliwiający współpracę z typowymi dla układów audio impedancjami rzędów omów...dziesiątek kiloomów. Układ taki jest zwykle bardzo prosty i oparty na tranzystorze polowym z kanałem n. Zasilanie stałym napięciem (z baterii, czy przez phantom) w przypadku mikrofonów elektretowych nie służy do polaryzacji dielektryka, lecz do zasilania wbudowanego przedwzmacniacza.

Najpopularniejsze są mikrofony dwukońcówkowe, ale spotyka się też trzykońcówkowe. Mikrofony dwukońcówkowe muszą być polaryzowane przez rezystor, pełniący też rolę obciążenia. Wartość tego rezystora nie jest krytyczna, zwykle przyjmuje wartości rzędu 1..10 kΩ i musi być tak dobrana, żeby napięcie na mikrofonie było większe od 1 V. Im większa jest ta rezystancja, tym wyższy poziom sygnału wejściowego, ale i większa podatność na zewnętrzne zakłócenia. Napięcie zasilające mikrofon dwukońcówkowy musi być dobrze filtrowane, ponieważ sygnał użyteczny występuje na rezystorze obciążenia, który najczęściej dołączony jest do plusa zasilania, a nie do masy. W przypadku mikrofonów trzykońcówkowych zakres napięć zasilających wynosi zwykle 3...15 V.

W mikrofonach dwukońcówkowych metalowa obudowa połączona jest zwykle z końcówką ujemną. W mikrofonach trzykońcówkowych wyjściem sygnału jest zwykle końcówka środkowa.

Kapsuły elektretowe mają małe wymiary, i nawet te tanie cechuje wysoka czułość, płaska charakterystyka i szerokie pasmo przenoszenia. Wszystkie te cechy są nieosiągalne dla najlepszych nawet mikrofonów dynamicznych, choć to te ostatnie często są używane do wokalu na scenie.

PARAMETRY MIKROFONÓW

Szum własny mikrofonu

Jest to poziom hałasu generowany przez sam mikrofon przy ciśnieniu akustycznym 0dB.

Dla mikrofonów dynamicznych przyjmuje wartości od 14 do 20dB

Dla mikrofonów pojemnościowych przyjmuje wartości od 7 do 25dB (w mikrofonach elektretowych od 25 do 35dB).

SNR (S/N)-Współczynnik sygnału do szumu - oblicza się odejmując szum własny

od 94 dB

S/N = 94dB - szum własny

THD - Total Harmonic Distortion - Zniekształcenia nieliniowe

SPLMaksymalne ciśnienie akustyczne

Maksymalny poziom SPL (wyrażony w dB lub Pa, dla określonego poziomu THD - 1% lub 3%, a dla mikrofonów pojemnościowych 0,5%).

SPL jest to najgłośniejszy dźwięk jaki może być przenoszony przez mikrofon bez zauważalnych zniekształceń.

Dla bardzo głośnych ujęć dźwiękowych produkowane są mikrofony z tłumikiem -10dB lub -20dB

Dynamika mikrofonu- od wielkości SPL odejmuje się wielkość szumu własnego mikrofonu

Pasmo przenoszenia (zakres częstotliwości)

Charakterystyka częstotliwościowa (określająca zakres częstotliwości)

Czułość (skuteczność) - parametr, który określa jakie napięcie powstanie na wyjściu mikrofonu przyciśnieniu akustycznym równym 1Pa (Paskal) = 10mB (10 mikrobarów), co odpowiada natężeniu dźwięku 94dBdla częstotliwości 1kHz (czyli napięcie jakie powstanie na wyjściu mikrofonu przy natężeniu dźwięku 94dB).

Zazwyczaj podawany jest w mV/Pa, rzadziej w dB.

Dla mikrofonów dynamicznych przyjmują wartości od 0,7 do 3,5 mV/Pa.Dla mikrofonów pojemnościowych przyjmują wartości od 7 do 20 mV/Pa

Impedancja

Jest to oporność dla prądu zmiennego widziana na zaciskach mikrofonu.

Dla mikrofonów dynamicznych przyjmuje wartości od 50 do 600 Om (najczęściej od 150 do 250 Om)

Dla mikrofonów pojemnościowych przyjmuje wartości od 50 do 200 Om