Устройство и принцип действия микрофонов. Устройство микрофона


Устройство и принцип действия микрофонов

Любой микрофон состоит из двух систем: акустико-механической и механоэлектрической.

Свойства акустико-механической системы сильно зависят от того, воздействует ли звуковое давление на одну сторону диафрагмы (микрофон давления) или на обе стороны, а во втором случае от того, симметрично ли это воздействие (микрофон градиента давления) или на одну из сторон диафрагмы действуют колебания, непосредственно возбуждающие ее, а на вторую - прошедшие через какое-либо механическое или акустическое сопротивление или систему задержки времени (асимметричный микрофон градиента давления).

Большое влияние на характеристики микрофона оказывает его механоэлектрическая часть.

Первым получил распространение угольный микрофон, который и до сих пор используют в телефонии. Действие его основывается на изменении сопротивления между зернами угольного порошка при изменении давления на их совокупность.

Рис. 3.2 Устройство микрофонов: а - угольного; б - электромагнитного; в - электродинамического; г - ленточного; д - конденсаторного; е - пьезоэлектрического

Угольный микрофон (рис. 3.2, а) работает следующим образом. При воздействии звукового давления на его диафрагму 1 она начинает колебаться. В такт этим колебаниям изменяется и сила сжатия зерен угольного порошка 2, в связи с чем изменяется сопротивление между электродами 3 и 4, а при постоянном электрическом напряжении изменяется и ток через микрофон. Если, скажем, включить микрофон к первичной обмотке трансформатора Т, то на зажимах его вторичной обмотки будет возникать переменное напряжение, форма кривой которого будет отображать форму кривой звукового давления, воздействующего на диафрагму микрофона. Основное преимущество угольного микрофона - высокая чувствительность, позволяющая использовать его без усилителей. Недостатки - нестабильность работы и шум из-за того, что полезный электрический сигнал вырабатывается при разрыве и восстановлении контактов между отдельными зернами порошка, большая неравномерность частотной характеристики и значительные нелинейные искажения.

После угольного микрофона появился электромагнитный микрофон, который работает следующим образом (рис. 3.2, б). Перед полюсами (полюсными наконечниками) 2 магнита 3 располагают ферромагнитную диафрагму 1 или скрепленный с ней якорь. При колебаниях диафрагмы под воздействием на нее звукового давления меняется магнитное сопротивление системы, а значит, и магнитный поток через витки обмотки, намотанной на магнитопровод этой системы. Благодаря этому на зажимах обмотки возникает переменное напряжение звуковой частоты, являющееся выходным сигналом микрофона. Электромагнитный микрофон стабилен в работе. Однако ему свойственны узкий частотный диапазон, большая неравномерность частотной характеристики и значительные нелинейные искажения.

В противоположность электромагнитному микрофону чрезвычайно широкое распространение для целей озвучения, звукоусиления получил электродинамический микрофон в своих двух модификациях - катушечной и ленточной.

Принцип действия электродинамического катушечного микрофона состоит в следующем (рис. 3.2, в). В кольцевом зазоре 1 магнитной системы, имеющей постоянный магнит 2, находится подвижная катушка 3, скрепленная с диафрагмой 4. При воздействии на последнюю звукового давления она вместе с подвижной катушкой начинает колебаться. В силу этого в витках катушки, перерезывающих магнитные силовые линии, возникает напряжение, являющееся выходным сигналом микрофона. Электродинамический микрофон стабилен, имеет довольно широкий частотный диапазон, сравнительно небольшую неравномерность частотной характеристики.

Устройство ленточного электродинамического микрофона несколько отличается от устройства катушечной модификации (рис. 3.2, г). Здесь магнитная система микрофона состоит из постоянного магнита 1 и полюсных наконечников 2, между которыми натянута легкая, обычно алюминиевая, тонкая (порядка 2 мкм) ленточка 3. При воздействии на обе ее стороны звукового давления возникает сила, под действием которой ленточка начинает колебаться, пересекая при этом магнитные силовые линии, вследствие чего на ее концах развивается напряжение. Т.к. сопротивление ленточки очень мало, то для уменьшения падения напряжения на соединительных проводниках напряжение, развиваемое на концах ленточки подается на первичную обмотку повышающего трансформатора, размещенного непосредственно вблизи ленточки. Напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора является выходным напряжением микрофона. Частотный диапазон этого микрофона довольно широк, а неравномерность частотной характеристики невелика.

Для электроакустических трактов высокого качества наибольшее распространение в настоящее время получил конденсаторный микрофон. Принципиально он работает следующим образом (рис. 3.2, д). Жестко натянутая мембрана 1 под воздействием звукового давления может колебаться относительно неподвижного электрода 2, являясь вместе с ним обкладками электрического конденсатора. Этот конденсатор включается в электрическую цепь последовательно с источником постоянного тока Е и активным нагрузочным сопротивлением R. При колебаниях мембраны емкость конденсатора меняется с частотой воздействующего на мембрану звукового давления, в связи с чем в электрической цепи появляется переменный ток той же частоты и на нагрузочном сопротивлении возникает падение напряжения, являющееся выходным сигналом микрофона. Нагрузочное сопротивление должно быть большим, чтобы падение напряжения на нем не уменьшалось сильно на низких частотах, где емкостное сопротивление конденсатора очень велико и эксплуатация такого микрофона была бы невозможна из-за сравнительно небольшого сопротивления микрофонных линий и нагрузки. По этой причине почти у всех современных конденсаторных микрофонов предусмотрены конструктивно связанные с самим микрофоном усилители, имеющие малый коэффициент усиления (порядка 1), высокое входное и низкое выходное сопротивления. Конденсаторные микрофоны имеют самые высокие качественные показатели: широкий частотный диапазон, малую неравномерность частотной характеристики, низкие нелинейные и переходные искажения, высокую чувствительность и низкий уровень шумов.

Электретные микрофоны, по существу, те же конденсаторные, но постоянное напряжение для них обеспечивается не обычным источником, а электрическим зарядом мембраны или неподвижного электрода, материалы которых отличаются тем, что способны сохранять этот заряд длительное время.

Некоторое распространение получили микрофоны пьезоэлектрические (рис. 3.2, е). Их действие основано на том, что звуковое давление воздействует непосредственно или через диафрагму 1 и скрепленный с ней стержень 2 на пьезоэлектрический элемент 3. При деформации последнего на его обкладках вследствие пьезоэлектрического эффекта возникает напряжение, являющееся выходным сигналом микрофона.

Действие транзисторных микрофонов (весьма мало распространенных) основывается на том, что под действием звукового давления на диафрагму и скрепленное с ней острие, являющееся одновременно эмиттером полупроводникового триода, изменяется сопротивление эмиттерного перехода через него. Хотя транзисторные микрофоны с диафрагмой достаточно чувствительны, но они недостаточно стабильны и их частотные характеристики даже в сравнительно узком диапазоне частот неравномерны.

Стереофонический микрофон представляет собой систему из двух микрофонов, конструктивно размещенных в общем корпусе на одной оси друг над другом. Для записи по системе XY применяют стереофонические микрофоны, состоящие из двух одинаковых монофонических микрофонов с кардиоидными характеристиками направленности, причем акустические оси левого и правого микрофонов повернуты на 90° относительно друг друга (рис. 3.3, а). При записи по системе MS один из микрофонов (микрофон середины) имеет круговую характеристику направленности, а другой (микрофон стороны) - косинусоидальную характеристику направленности (рис. 3.3, б).

Рис. 3.2. Характеристики направленности стереофонических микрофонов

Радиомикрофон представляет собой систему, состоящую из микрофона, переносного малогабаритного передатчика и стационарного приемника. Микрофон чаще всего используют динамический катушечный или электретный. Передатчик либо совмещают в одном корпусе с микрофоном, либо выполняют карманного типа. Он излучает энергию радиочастот в УКВ диапазоне на одной из фиксированных частот. Вследствие влияния дополнительных преобразований в системе "передатчик - эфир - приемник" качественные параметры радиомикрофона уступают параметрам обычного микрофона.

Для приема речи в условиях окружающего шума применяют ларингофоны. Эти приборы воспринимают механические колебания гортани, возникающие при речеобразовании. Для этого ларингофоны (обычно пара) прижимаются к шее в области гортани. По принципу преобразования ранее применялись угольные ларингофоны, а в настоящее время - электромагнитные. Отличие их от соответствующих микрофонов в том, что в них нет диафрагм, на которые воздействует звуковое давление, а подвижный элемент вследствие инерции перемещается относительно корпуса колеблющегося в такт с колебанием гортани, к которой он прилегает.

Похожие статьи:

poznayka.org

Принцип работы микрофона | Двигатель прогресса

April 8, 2016

Для того чтобы проверить работоспособность любого микрофона сегодня достаточно воспользоваться одним из многочисленных онлайн-сервисов. Но если устройство сломано, а вы хотите найти причину и устранить ее, необходимо в обязательном порядке понимать устройство и принцип работы микрофона. Микрофон уже давно является основным, даже ключевым звеном любой аппаратуры, способной записывать звук. Даже современные компьютеры практически все оснащены микрофонами, особенно это актуально в последние годы, в период бурного развития сети интернет и соответственно социальных сетей.

Классический или динамический микрофон

Принцип работы динамического микрофона

Микрофон динамического типа более распространен. К его основным достоинствам можно отнести дешевизну, стойкость к перегрузкам и универсальность. Принцип работы такого устройства следующий: специальная диафрагма прикрепляется к катушке, которая совершает вместе с нею колебания в магнитном поле, создаваемым магнитом постоянного типа.

Когда на микрофон поступает звуковое давление, диафрагма начинает колебаться в унисон с ним, соответственно колеблется и катушка. Перемещаясь в магнитном поле, катушка образует в себе электродвижущую силу, и как следствие ток. Величина тока зависит от интенсивности звука и габаритов самой диафрагмы, а также от интенсивности магнитного поля и количества витков катушки.

Конденсаторный микрофон

Конденсаторный микрофон

Существуют так же микрофоны конденсаторного типа, они менее распространены и применяются в основном в студийных условиях для качественной записи речи. В основе работы такого устройства лежит конденсатор, одна из пластин которого двигается как диафрагма. Благодаря такому принципу, вместе со звуковыми колебаниями меняется и емкость конденсатора. Для того чтобы вся система работала, необходимо применять дополнительно одну батарейку.

Одной из популярных разновидностей микрофонов конденсаторного типа являются  электретные устройства, которые широко используются в современных смартфонах, персональных компьютерах и беспроводных гарнитурах. Их выделяет простая конструкция, хорошее качество звука и дешевизна. В микрофонах такого типа не требуется дополнительный источник питания, поэтому они могут работать в любых условиях.

Принцип работы конденсаторного микрофона

Микрофон является нежным и хрупким устройством, стучать по которому или дуть в диафрагму категорически не рекомендуется. Так же не следует при работе перемещать штатив с микрофоном. Слишком частое присоединение контактных проводов, так же способно пагубно отразиться на работоспособности устройства, контакты попросту изнашиваются.

Как проверить микрофон?

Флэш технология

Как мы уже и говорили в начале статьи, проверить любой микрофон можно при помощи одного из многочисленных онлайн – ресурсов. Для того чтобы это сделать необходимо подключить микрофон к компьютеру. Обычно на сайтах предоставляющих услуги по тестированию микрофонов, интерфейс работает на Flash технологии, поэтому ее так же нужно установить на свой персональный компьютер.

lab-37.com

Микрофоны. Основные элементы конструкции 4.1

Основные элементы конструкции

В современных микрофонах для бытовой техники используется принцип преобразования — электростатический и индукционный. Микрофоны, построенные по электростатическому принципу, принято называть конденсаторными, причем если они имеют «внутренний» электретный источник напряжения поляризации, то их называют конденсаторными электретными, или просто электретными.

Микрофоны, основанные на индукционном принципе преобразования, называют электродинамическими. В зависимости от формы провода и конструкции магнитной цепи электродинамические микрофоны разделяются на катушечные, ленточные или ортодинамические.

0

Схематический поперечный разрез конструкции микрофона.

  1. корпус
  2. преобразователь;
  3. крышка;
  4. соединитель;
  5. предварительный усилитель;
  6. батарея питания;
  7. выходной трансформатор.

Микрофон любого принципа преобразования, состоит из корпуса 1 с размещенным в нем электроакустическим преобразователем (капсюлем) 2, передней перфорированной крышки 3, встроенного соединителя 4 или кабеля с соединителем. В корпусе конденсаторных электретных микрофонов кроме электроакустического преобразователя размещаются еще предварительный усилитель 5 (как правило, в интегральном исполнении), батарея питания предварительного усилителя 5 и выходной трансформатор 7.

Корпус микрофона состоит из передней перфорированной крышки и массивной задней закрытой части. Передняя перфорированная крышка служит для защиты подвижной системы от механических повреждений и, частично, от «задувания» направленными потоками воздуха при воздействии ветра или воздушных потоков, возникающих при произношении «взрывных» согласных, свиста и т. п. Для уменьшения помех от воздействия воздушных потоков, с внутренней стороны крышки, обычно располагают один или два слоя сеток с ячейками различной величины, а с передней стороны их еще и пластину поролона. Такая конструкция крышки рассеивает ламинарный поток воздуха и, тем самым, защищает подвижную систему от «задувания». Иногда крышка используется также и для крепления капсюля микрофона. Форма крышки, форма перфораций, толщина стенок, свободный объем внутри крышки оказывают сильное влияние на формирование частотной характеристики чувствительности (ЧХЧ) и частотной характеристики направленности (ЧХН) микрофона, особенно в области средних и высоких частот.

Вторая половина корпуса — закрытая, служит для крепления в нем различных деталей микрофона, а у «ручных» микрофонов и для удержания микрофона в руке. Так, у электродинамических микрофонов задняя половина корпуса служит для крепления ряда объемов, соединенных между собой перегородками с отверстиями или трубками. Эти детали являются элементами акустической системы электроакустического преобразователя. Кроме того, в корпусе могут быть закреплены амортизаторы капсюля, уменьшающие восприимчивость микрофона к ударам, т. е. помеху, воздействующую на подвижную систему микрофона при перекладывании микрофона из руки в руку или ударе об стол, если микрофон закреплен на настольной стойке, или ударе о пол при закреплении микрофона на напольной стойке. Чтобы уменьшить влияние ударов на подвижную систему микрофона, стенки корпуса делаются достаточно толстыми, а у ручных микрофонов корпус должен быть и достаточно массивным.

В корпусах микрофонов закрепляются также, если это необходимо, и такие элементы, как корректирующие цепи, переключатели, выключатели, а в дне корпуса — микрофонные соединители или детали, крепящие выходной кабель.

У электретных микрофонов в задней половине корпуса размещаются предварительный усилитель с выходным трансформатором и батарея питания. У микрофонов этого типа преобразования обе половины корпуса соединяются, как правило, на резьбе. Такая конструкция позволяет легко вставлять и вынимать батарею питания.

Электроакустический преобразователь электродинамического катушечного микрофона состоит из подвижной, магнитной и акустической систем. Схематический поперечный разрез типичной конструкции электроакустического преобразователя (капсюля) катушечного электродинамического ненаправленного микрофона представлен на следующем рисунке.

0

Схематический поперечный разрез электроакустического преобразователя катушечного электродинамического ненаправленного микрофона:

  1. диафрагма;
  2. гофрированный подвес;
  3. звуковая катушка;
  4. магнит;
  5. стакан;
  6. фланец;
  7. полюсный наконечник;
  8. воздушный зазор;
  9. объем;
  10. отверстия в дне стакана и объемов;
  11. объемы;
  12. ткань;
  13. накладка;
  14. щель.

Подвижная система микрофона. Представляет собой диафрагму с жесткой центральной частью сферической формы 1 и мягким гофрированным подвесом 2, цилиндрической катушкой 3, приклеенной к площадке между центральной частью диафрагмы и подвесом. Магнитная система содержит постоянный магнит 4 и магнитопровод, состоящий из стакана 5, фланца 6 и полюсного наконечника 7. Между внутренним диаметром фланца и внешним диаметром полюсного наконечника имеется кольцевой воздушный зазор 8. Магнит намагничен по оси, поэтому в воздушном зазоре магнитной цепи силовые линии направлены радиально.

Диафрагма приклеивается по периферии к фланцу так, чтобы катушка находилась в середине воздушного зазора магнитной цепи. При воздействии переменного звукового давления на диафрагму она начинает колебаться и вместе с нею приходит в колебание катушка. При этом она пересекает магнитные силовые линии и в ней индуцируется электродвижущая сила (ЭДС). Таким образом, акустические колебания воздушной среды преобразуются в электрические.

При колебаниях диафрагмы в полостях между ней и полюсным наконечником и фланцем будет образовываться избыточное или пониженное давление. При движении диафрагмы к магнитной системе, воздух из полостей под ней начинает вытекать через воздушный зазор в свободный объем стакана 9, и через отверстия 10 в дне стакана в ряд полостей и объемов 11, соединенных между собой перегородками с отверстиями, закрытыми тканью 12.

Сверху, над диафрагмой на незначительном расстоянии от нее устанавливается накладка 13, форма центральной части которой близка к форме центральной части диафрагмы. Таким образом, между центральной частью диафрагмы и накладкой образуется щель 14. За центральной частью накладка обычно имеет широкие окна, т. е. акустически, в этой части, она прозрачна. Щель 14 оказывает существенное влияние на формирование частотной характеристики чувствительности микрофона на высоких частотах. Совокупность всех этих конструктивных элементов является акустической системой, а диафрагма с катушкой — механической системой электроакустического преобразователя.

Значение параметров механической системы равно, как и значение и соот¬ношение параметров акустической системы микрофона, формируют частотную характеристику чувствительности. Если воздушный объем магнитной системы и присоединенные к нему полости и объемы герметически изолированы от внешней среды, то звуковое давление воздействует на диафрагму только с передней (фронтальной) стороны, т. е. микрофон имеет только один акустический вход. В этом случае чувствительность микрофона не зависит от направления прихода звукового сигнала. Однако это справедливо только в диапазоне частот, пока размеры микрофона малы по сравнению с длиной волны.

2

Схематический поперечный разрез электроакустического преобразователя катушечного электродинамического направленного микрофона: 15 — отверстия, закрытые тканью

Схематический поперечный разрез капсюля направленного электродинамического катушечного микрофона. Он отличается от ненаправленного тем, что в стакане магнитной цепи, а иногда и в примыкающем к нему объеме, имеются отверстия 15, закрытые тканью. Эти отверстия служат для доступа звукового давления к задней стороне диафрагмы. Таким образом, направленный микрофон отличается от ненаправленного тем, что он имеет минимум два акустических входа, причем звуковая волна достигает второго акустического входа со сдвигом фазы

3

где ω=2πf — круговая частота, с-1; d—расстояние от первого акустического входа т. е. от передней стороны диафрагмы до второго акустического входа, м; θ — угол падения звуковой волны, град; с0 — скорость звука, м*сек-1.

Далее на пути от отверстий, второго акустического входа до задней поверхности диафрагмы звуковая волна получает также сдвиг фазы, величина которого зависит от параметров акустической системы микрофона.

В зависимости от асимметрии воздействия звукового давления на обе стороны звукоприемной поверхности, микрофон будет иметь различные формы характеристики направленности, т. е. различную чувствительность на данной частоте в зависимости от угла падения звукового давления.

В общем случае характеристика направленности R(Θ), т. е. отношение чувствительности микрофона при падении звуковой волны под углом θ к чувствительности под углом 0°, выражается уравнением

4

где А — параметр, определяющий форму характеристики направленности, θ — угол падения звуковой волны. При различных значениях А получается различная форма характеристики направленности, так:

5

Микрофон с косинусоидальной характеристикой направленности, т. е. двусторонне направленный, иногда называют микрофоном градиента давления. Микрофон с кардиоидной, суперкардиоидной и гиперкардиоидной характеристиками направленности называется односторонне направленным или комбинированным. Последнее название он получил потому, что раньше для создания односторонне направленных микрофонов электрически соединяли микрофон давления и микрофон градиента давления и заключали их в общий корпус. Современные односторонне направленные микрофоны имеют один электроакустический преобразователь с двумя или более акустическими входами для доступа звукового давления к приемному элементу — диафрагме.

6

Схематический поперечный разрез электроакустического преобразователя остронаправленного микрофона:

  1. звукоприемный элемент;
  2. отверстия, закрытые тканью;
  3. микрофон.

Односторонне направленные микрофоны характеризуются тем, что они имеют интегральную чувствительность в передней полусфере больше интегральной чувствительности в задней полусфере. Максимальное отношение этих величин имеет так называемый остронаправленный микрофон. Он состоит из звукоприемного элемента, представляющего собой трубку с отверстиями или прорезями вдоль ее длины, закрытыми тканью 2. Трубка плотно примыкает к односторонне направленному микрофону 3 (либо электродинамического катушечного, либо конденсаторного типа). Трубка с отверстиями является своеобразной линией задержки, так как при падении звуковых волн под углом 0 к ее оси звуковое давление через каждое отверстие достигает диафрагмы микрофона с различными сдвигами фаз, вследствие чего звуковое давление будет ослаблено по сравнению с давлением, действующим на диафрагму микрофона при падении шумовых волн вдоль оси трубки. Сдвиг фазы звукового давления от различных отверстий трубки

φ=((ω*di)/cθ)*(1-cosθ)

где dі — расстояние от начала трубки до i-го отверстия, ω — круговая частота, С0 — скорость звука.

На низких частотах сдвиг фазы звукового давления, достигшего приемного элемента микрофона, от отверстий трубки, будет очень мал и поэтому частотная характеристика направленности будет определяться только ЧХН самого микрофона. На средних и высоких частотах ЧХН определяется параметрами трубки, при этом ткань на отверстиях трубки является акустическим сопротивлением. Для обеспечения ЧХН и ЧХЧ сопротивление отверстий трубки должно увеличиваться по мере приближения к микрофону.

Ленточный микрофон является вторым вариантом микрофонов электродинамического типа. Микрофон состоит из магнитной системы 1, в воздушном зазоре которой расположена подвижная система, представляющая собой легкую тонкую гофрированную ленточку 2. Магнитная система представляет собой два плоских бруска, расположенных друг против друга противоположными полюсами и контактной системы 3, которая служит и креплением ленточки. Ленточка изготовляется из алюминиевой фольги толщиной 1...2 мкм. Ширина ленточки составляет 2...3 мм, а длина 40...50 мм. При воздействии на ленточку переменного звукового давления она начинает колебаться и пересекает магнитные силовые линии, при этом в ней индуцируется ЭДС, величина которой очень мала. Поскольку сопротивление ленточки невелико, все ленточные микрофоны имеют повышающий трансформатор.

7

Схематический поперечный разрез электроакустического преобразователя электродинамического ленточного микрофона:

  1. магнитная система;
  2. гофрированная ленточка;
  3. контактная система;
  4. звукопровод;
  5. отверстие;
  6. лабиринт

В зависимости от того, какую ЧХН хотят придать микрофону, задняя сторона леиточки нагружается на различную акустическую нагрузку. Если задняя сторона ленточки полностью открыта, то микрофон имеет двусторонне направленную ЧХН. Такой микрофон называют градиентным. Если задняя сторона ленточки полностью закрыта звукопроводом 4, т. е. микрофон имеет только одни акустический вход, то он становится ненаправленным, пока его размеры малы по сравнению с длиной волны.

Если в звукопроводе имеется отверстие 5 и объем с задней стороны ленточки нагружен на «лабиринт» 6, то в зависимости от соотношений параметров перечисленных элементов микрофон может иметь ЧХН любой промежуточной формы, в частности кардиоиды, суперкардиоиды, гиперкардиоиды. «Лабиринт» является многозвенным акустическим фильтром. Его электрическим аналогом является фильтр, состоящий из нескольких звеньев последовательно соединенных индуктивностей с активным сопротивлением и параллельно включенных емкостей.

Конструкция ленточных микрофонов значительно проще катушечных, но по надежности они уступают последним из-за недостаточной механической прочности ленточки, поэтому они реже используются, чем катушечные.

Следующим вариантом электродинамических микрофонов являются так называемые ортодинамические или изодинамические. В отечественной бытовой технике они еще не нашли применения. В микрофонной мировой технике рекламируются такие конструкции.

8

Схематический поперечный разрез электроакустического преобразователя ортодинамического микрофона: 1 - магнитная система; 2 — подвижная система.

Схематический поперечный разрез капсюля ортодинамического микрофона представлен на рисунке выше, где 1 — магнитная система, состоящая из двух одинаковых перфорированных магнитов с расположением полюсов, как показано на этом рисунке. Между магнитами размещается подвижная система 2, представляющая собой пленку, на которой фотолитографическим методом изготовлена плоская катушка спиралевидной формы. Витки плоской катушки находятся в поле рассеяния магнитной системы, поэтому чувствительность такого микрофона значительно меньше, чем ленточного и катушечного, Изодинамический преобразователь отличается от ортодинамического только конфигурацией мембраны, звуковой катушки я магнитов.

С начала 70-х годов стали широко применяться конденсаторные электретные микрофоны. Эти микрофоны по удобству эксплуатации незначительно уступают электродинамическим катушечным, так как хотя они и требуют предварительного усилителя л источника питания, но оба эти элемента встроены в корпус микрофона, а источник питания может работать непрерывно, без замены, длительное время — порядка года.

Капсюль микрофона представляет собой плоский конденсатор с воздушным зазором, одной из обкладок которого является тонкая эластичная мембрана 1, второй обкладкой — неподвижный электрод (НЭ) 2. В качестве мембраны используется диэлектрическая фторполимерная пленка Ф4МБ-2, поляризованная и металлизированная с одной стороны. Пленка в натянутом состоянии приклеена металлизированной стороной к металлическому кольцу 3, Мембрана является электретом, так как способна длительное время сохранять величину заряда, нанесенного на неё во время поляризации, причем наиболее стабильным для пленки Ф4МБ-2 является отрицательный заряд. Неподвижный электрод изготавливается из изоляционного материала с большим объемным и поверхностным сопротивлением и малым коэффициентом линейного расширения. Со стороны мембраны НЭ металлизируется, и этот металлический слой и металлический слой на мембране являются обкладками конденсатора. У большинства отечественных электретных микрофонов НЭ изготавливаются из композиционного материала. В середине НЭ, изготовленного из композиционного материала, опрессована металлическая втулка 4 с внутренней резьбой. Втулка служит для осуществления контакта с металлическим слоем на НЭ и для крепления с помощью винта контактного лепестка или еще каких-либо деталей, если они входят в акустическую систему микрофона. Большинство конструкций НЭ отечественных электретных микрофонов со стороны мембраны имеют углубления 5, служащие для увеличения гибкости воздуш

9

Схематический поперечный разрез электроакустического преобразователя конденсаторного электронного микрофона:

  1. мембрана;
  2. неподвижный электрод;
  3. кольцо;
  4. втулка;
  5. углубление в НЭ;
  6. изоляционное кольцо;
  7. отверстия;
  8. шайба;
  9. щель;
  10. отверстая в дне НЭ

Схематический поперечный разрез капсюля конденсаторного электретного микрофона показан на рис. 4.7. Капсюль микрофона представляет собой плоский конденсатор с воздушным зазором, одной из обкладок которого является тонкая эластичная мембрана 1, второй обкладкой — неподвижный электрод (НЭ) 2. В качестве мембраны используется диэлектрическая фторполимерная пленка Ф4МБ-2, поляризованная и металлизированная с одной стороны. Плен¬ка в натянутом состоянии приклеена металлизированной стороной к металлическому кольцу 3, Мембрана является электретом, так как способна длительное время сохранять величину заряда, нанесенного на неё во время поляризации, причем наиболее стабильным для пленки Ф4МБ-2 является отрицательный заряд. Неподвижный электрод изготавливается из изоляционного материала с большим объемным и поверхностным сопротивлением и малым коэффициентом линейного расширения. Со стороны мембраны НЭ металлизируется, и этот металлический слой и металлический слой на мембране являются обкладками конденсатора. У большинства отечественных электретных микрофонов НЭ изготавливаются из композиционного материала. В середине НЭ, изготовленного из композиционного материала, опрессована металлическая втулка 4 с внутренней резьбой. Втулка служит для осуществления контакта с металлическим слоем на НЭ и для крепления с помощью винта контактного лепестка или еще каких-либо деталей, если они входят в акустическую систему микрофона. Большинство конструкций НЭ отечественных электретных микрофонов со стороны мембраны имеют углубления 5, служащие для увеличения гибкости воздушного зазора между мембраной и НЭ, образованного изоляционным кольцом 6. Электретная мембрана создает в воздушном зазоре между мембраной и НЭ электрическое поле, напряженность которого прямо пропорциональна напряженности поля между поверхностями электрета и обратно пропорциональна высоте воздушного зазора.

Под действием электрического поля мембрана прогибается. Для устойчивой работы микрофона прогиб мембраны должен быть не более 0,2 высоты воздушного зазора (расстояние между мембраной и неподвижным электродом). Отсюда ясно, что напряженность поля мембраны не должна превышать допустимого предела. Емкость современных конденсаторных микрофонов в зависимости от их размеров находится в пределах от нескольких микрофарад до десятков микрофарад. Следовательно, внутреннее сопротивление капсюля микрофона на нижней частоте номинального диапазона 30 Гц лежит в пределах 100...400 МОм, что значительно больше, чем входное сопротивление микрофонного усилителя бытовой радиоэлектронной аппаратуры.

10

Схема распределения заряда в капсюле электронного микрофона: -σ и +σ — заряды на повер¬хности электретной пленки: —σинд и +σинд — заряды в металлических слоях электретной пленки и НЭ соответственно; Е — напряженность электрического поля поляризации

Согласование высокого выходного сопротивления капсюля с низким входным сопротивлением микрофонных усилителей выполняет предварительный усилитель микрофона, имеющий коэффициент усиления, обычно меньше 1,0. Предварительный усилитель конденсаторных электретных микрофонов для бытовой техники, как правило, представляет собой микросхему на полевом транзисторе. Для питания предварительного усилителя служит батарея питания, встраиваемая в корпус микрофона. Если же микрофон встраивается в магнитофон или магнитолу, то напряжение питания подводится к предварительному усилителю от источников питания этих аппаратов. В зависимости от конструкции и параметров акустической системы конденсаторные электретные микрофоны могут иметь различные ЧХН. Если микрофон имеет один акустический вход и звуковое давление действует только на переднюю сторону мембраны, то такой микрофон будет иметь ЧХН в виде круга.

Боковые стенки корпуса направленного конденсаторного электретного микрофона имеют прорези для обеспечения свободного доступа звукового давления к задней стороне мембраны, которую звуковая волна достигает, пройдя через прорези, отверстия 7 в шайбе 8, щель 9 между НЭ и шайбой, отверстия 10 в дне НЭ, углубления в НЭ и воздушный зазор. Таким образом, в таком капсюле обеспечено наличие двух акустических входов, расположенных друг от друга на расстоянии d. Звуковая волна, пройдя это расстояние, получает сдвиг фазы

11

где ω— круговая частота; со — скорость звука.

В зависимости от соотношения внешнего и внутреннего сдвига фазы, который звуковая волна получает на фазосдвигающей цепи акустической системы капсюля, образованной перечисленными выше конструктивными элементами, капсюль микрофона будет иметь различные тенденции ЧХЧ и формы ЧХН. Капсюль крепится либо к основанию переднего, либо к основанию заднего корпуса, в котором размещается предварительный усилитель, батарея питания выходной трансформатор и детали крепления выходного кабеля. Если капсюль используется для микрофона ближнего действия («ручного» микрофона), тс он крепится к основанию через амортизационную прокладку, чтобы уменьшить воздействие вибраций на мембрану микрофона. В этом случае капсюль заключается во второй корпус, изготовленный, как правило, из нескольких слоев сеток, которые отчасти предохраняют мембрану микрофона от воздействия ветровых потоков. Основной защитой от ветровых потоков служит колпачок, одеваемый на корпус капсюля, изготовленный из пористого пенополиуретана, или нескольких слоев сеток, между которыми закреплен либо тонкий слой пористого пенополиуретана, либо слой ткани.

В последнее время все чаще рекламируются конденсаторные электретные микрофоны, у которых электретом служит электретная пленка, присоединенная к НЭ, а мембраной — тонкая, полиэтилентерефталатная пленка. Такая конструкция электретного микрофона, имеет ряд существенных преимуществ перед микрофоном с электретной мембраной. Эти преимущества заключаются в уменьшении массы мембраны примерно в 3—3,5 раза, а следовательно, и вибровосприимчивости микрофона. Кроме того, уменьшается зависимость чувствительности микрофона от изменения температуры окружающей среды. Все эти преимущества обусловлены тем, что пленка полиэтилентерефталатная (тереленовая) имеет примерно в 1,7 раза меньший удельный вес по сравнению с фторполимерной пленкой, одинаковые механические свойства во всех направлениях, в то время как у фторополимерной пленки они отличаются примерно в 2 раза во взаимноперпендикуляриых направлениях. Механическая прочность полиэтилентерефталатной пленки примерно в 5 раз больше, чем у фторполимерной. Совокупность этих свойств полиэтилентерефталатной пленки позволяет применять мембрану в 2 раза меньшей толщины и тем самым получить равномерную частотную характеристику чувствительности до более высоких частот, т. е. параметры, равноценные параметрам высококачественных конденсаторных микрофонов с внешним источником напряжения поляризации, предназначенным для профессиональных целей. Микрофоны с электретным слоем на НЭ принято у нас называть конденсаторными микрофонами с массивным электретом (МЭ). Характерным для большинства этих микрофонов является то, что МЭ изготавливаются на металлической перфорированной подложке. В качестве подложки для МЭ можно применять и изоляционный материал с последующей металлизацией со стороны присоединения к нему электретной пленки.

Известны микрофоны, предварительный усилитель которых представляет собою бескорпусную интегральную схему, закрепленную на подложке МЭ. Такая конструкция предварительного усилителя используется для миниатюрных конденсаторных микрофонов, встраиваемых в бытовую радиоэлектронную аппаратуру.

asmpa.com

Микрофоны

Микрофон – это устройство, предназначенное для преобразования звуковых колебаний в электрические. По конструкции и принципу преобразования колебаний микрофоны подразделяются на угольные, электродинамические, электромагнитные, электростатические (конденсаторные и электретные) и пьезоэлектрические. В ТА в основном используются угольные, электретные и электродинамические.

Устройство угольного микрофона

М К ПЭ УП НЭ

Б

+ -

Рис. 4. Устройство угольного микрофона

Работа угольного микрофона основана на изменении сопротивления угольного порошка под действием звуковых колебаний. Угольный микрофон включается в цепь постоянного тока (батарея Б) и нагружен на сопротивление Rн (представляющее собой почти весь тракт телефонной передачи).

Преобразование звуковых колебаний в электрические рассмотрим на графике изменения звукового давления Р, сопротивления угольного порошка Rн и тока в цепи микрофонаIм.

Когда на мембрану звуковые колебания не воздействуют (состояние покоя), угольный порошок микрофона имеет сопротивление R0и в цепи микрофона проходит токI0(отрезок времени 0 –t1). В момент времениt1 на микрофон начинает воздействовать увеличивающееся давление. Мембрана микрофона вместе с подвижным электродом ПЭ начинает передвигаться в сторону неподвижного электрода НЭ, угольный порошок будет сжиматься и сопротивление микрофона уменьшается, а ток, проходящий через микрофон, увеличивается. В момент времениt2давление на мембрану и величина тока будут максимальны, а сопротивление минимально. С моментаt2давление уменьшается, мембрана микрофона и подвижный электрод удаляются от неподвижного электрода, проходят исходное состояние и в моментt3расстояние между электродами будет максимальным. Угольный порошок при этом имеет наибольшее сопротивление, а ток наименьшее значение.

Анализируя наши графики можно сделать вывод: под действием звукового давления в цепи микрофона протекает пульсирующий ток, следовательно, микрофон преобразует звуковые колебания в электрические.

Средняя мощность звуковых колебаний Рзв , действующая на мембрану во время разговора, равна примерно 1 мкВт, а средняя мощность, отдаваемая микрофоном на согласованную нагрузку, - 1-2 мВт. Поэтому угольный микрофон является не только преобразователем одного вида энергии в другой, но и усилителем мощности с акустическим коэффициентом усиления К равным 1000-2000. Угольный микрофон управляет величиной тока в цепи батареи Б. Поэтому в цепи угольного микрофона можно получить большую мощность переменного тока звуковой частоты, чем падающая на него мощность звука.

P

P0

t

Rm

R0

t

Im

I0

t1 t2 t3 t4 t

Рис. 5. Преобразование звуковых колебаний в электрические в угольном микрофоне

Сопротивление угольного порошка зависит от сорта и величины зерен, их термической обработки, плотности соприкосновения зерен между собой, конструкции угольной ячейки. Между зернами образуются контактные мостики, которые создают пути току между неподвижным и подвижным электродами.

Сопротивление микрофона также зависит от его положения в пространстве. Rmin– когда плоскость мембраны микрофона расположена вертикально. При отклонении от такого положения в обе стороны сопротивление увеличивается.Rmax– когда плоскость мембраны микрофона расположена горизонтально и порошок ссыпается с одного электрода и сосредотачивается у другого. В микрофонном капсюле МК-10 сопротивление может возрастать в пять раз. Для микрофона МК-16 этот показатель равен 1,5.

Сопротивление микрофона уменьшается с возрастанием тока питания. При больших токах питания может произойти спекание угольных зерен и микрофон выйдет из строя.

В ТА применяются низко-, средне- и высокоомные микрофоны. Величина сопротивления определяется диаметром зерен угольного порошка и их термической обработкой. Низкоомные микрофоны с сопротивлением 20-80 Ом используются в аппаратах системы МБ; высокоомные, с сопротивлением 100-260 Ом – во всех других аппаратах.

studfiles.net

О микрофонах. Устройство и принцип действия микрофонов

Любой микрофон состоит из двух систем: акустикомеханической и механоэлектрической.

Свойства акустикомеханической системы сильно зависят от того, как воздействует звуковое давление:

- на одну сторону диафрагмы (микрофон давления) или на обе стороны - симметрично ли это воздействие (микрофон градиента давления) или на одну из сторон диафрагмы действуют колебания, непосредственно возбуждающие ее, а на вторую - прошедшие через какое-либо механическое или акустическое сопротивление или систему задержки времени (асимметричный микрофон градиента давления).

Сильное влияние на качественные характеристики микрофона оказывает его механоэлектрическая часть.

Первым получил распространение угольный микрофон, который и до сих пор используют в телефонии. Действие его основывается на изменении сопротивления между зернами угольного порошка при изменении давления на их совокупность.

О микрофонах (Устройство и принцип действия микрофонов)Рис. 1 Устройство микрофонов: а - угольного; б - электромагнитного; в - электродинамического; г - ленточного; д - конденсаторного; е - пьезоэлектрического

Угольный микрофон (рис. 1, а) работает следующим образом. При воздействии звукового давления на его диафрагму 1 она начинает колебаться. В такт этим колебаниям изменяется и сила сжатия зерен угольного порошка 2, в связи с чем изменяется сопротивление между электродами 3 и 4, а при постоянном электрическом напряжении изменяется и ток через микрофон. Если, скажем, включить микрофон к первичной обмотке трансформатора Т, то на зажимах его вторичной обмотки будет возникать переменное напряжение, форма кривой которого будет отображать форму кривой звукового давления, воздействующего на диафрагму микрофона.

Основное преимущество угольного микрофона - высокая чувствительность, позволяющая использовать его без усилителей. Недостатки - нестабильность работы и шум из-за того, что полезный электрический сигнал вырабатывается при разрыве и восстановлении контактов между отдельными зернами порошка, большая неравномерность частотной характеристики и значительные нелинейные искажения.

После угольного микрофона появился электромагнитный микрофон, который работает следующим образом (рис. 1, б). Перед полюсами (полюсными наконечниками) 2 магнита 3 располагают ферромагнитную диафрагму 1 или скрепленный с ней якорь. При колебаниях диафрагмы под воздействием на нее звукового давления меняется магнитное сопротивление системы, а значит, и магнитный поток через витки обмотки, намотанной на магнитопровод этой системы. Благодаря этому на зажимах обмотки возникает переменное напряжение звуковой частоты, являющееся выходным сигналом микрофона.

Электромагнитный микрофон стабилен в работе. Однако ему характерен узкий частотный диапазон, большая неравномерность частотной характеристики и значительные нелинейные искажения.

В противоположность электромагнитному микрофону чрезвычайно широкое распространение для целей озвучения, звукоусиления получил электродинамический микрофон в своих двух модификациях - катушечной и ленточной.

Принцип действия электродинамического катушечного микрофона состоит в следующем (рис. 1, в). В кольцевом зазоре 1 магнитной системы, имеющей постоянный магнит 2, находится подвижная катушка 3, скрепленная с диафрагмой 4. При воздействии на последнюю звукового давления она вместе с подвижной катушкой начинает колебаться. В силу этого в витках катушки, перерезывающих магнитные силовые линии, возникает напряжение, являющееся выходным сигналом микрофона.

Электродинамический микрофон весьма стабилен в работе, имеет довольно широкий частотный диапазон, сравнительно небольшую неравномерность частотной характеристики.

Устройство ленточного электродинамического микрофона несколько отличается от устройства катушечной модификации (рис. 1, г). Здесь магнитная система микрофона состоит из постоянного магнита 1 и полюсных наконечников 2, между которыми натянута легкая, обычно алюминиевая, тонкая (порядка 2 мкм) ленточка 3. При воздействии на обе ее стороны звукового давления возникает сила, под действием которой ленточка начинает колебаться, пересекая при этом магнитные силовые линии, вследствие чего на ее концах развивается напряжение.

Т.к. сопротивление ленточки очень мало, то для уменьшения падения напряжения на соединительных проводниках напряжение, развиваемое на концах ленточки подается на первичную обмотку повышающего трансформатора, размещенного непосредственно вблизи ленточки. Напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора является выходным напряжением микрофона.

Частотный диапазон этого микрофона довольно широк, а неравномерность частотной характеристики невелика.

Для электроакустических трактов высокого качества наибольшее распространение в настоящее время получил конденсаторный микрофон. Он работает следующим образом (рис. 1, д): жестко натянутая мембрана 1 под воздействием звукового давления может колебаться относительно неподвижного электрода 2, являясь вместе с ним обкладками электрического конденсатора. Этот конденсатор включается в электрическую цепь последовательно с источником постоянного тока Е и активным нагрузочным сопротивлением R. При колебаниях мембраны емкость конденсатора изменяется с частотой воздействующего на мембрану звукового давления, в следствии чего, в электрической цепи появляется переменный ток той же частоты и на нагрузочном сопротивлении возникает падение напряжения, являющееся выходным сигналом микрофона.

Нагрузочное сопротивление должно быть большим, чтобы падение напряжения на нем не уменьшалось сильно на низких частотах, где емкостное сопротивление конденсатора очень велико и эксплуатация такого микрофона была бы невозможна из-за сравнительно небольшого сопротивления микрофонных линий и нагрузки. По этой причине почти у всех современных конденсаторных микрофонов предусмотрены конструктивно связанные с самим микрофоном усилители, имеющие малый коэффициент усиления (порядка 1), высокое входное и низкое выходное сопротивления.

Конденсаторные микрофоны имеют самые высокие качественные показатели: широкий частотный диапазон, малую неравномерность частотной характеристики, низкие нелинейные и переходные искажения, высокую чувствительность и низкий уровень шумов.

Электретные микрофоны, по существу, те же конденсаторные, но постоянное напряжение для них обеспечивается не обычным источником, а электрическим зарядом мембраны или неподвижного электрода, материалы которых отличаются тем, что способны сохранять этот заряд длительное время.

Некоторое распространение получили пьезоэлектрические микрофоны (рис. 1, е). Их действие основано на том, что звуковое давление воздействует непосредственно или через диафрагму 1 и скрепленный с ней стержень 2 на пьезоэлектрический элемент 3. При деформации последнего на его обкладках вследствие пьезоэлектрического эффекта возникает напряжение, являющееся выходным сигналом микрофона.

Действие транзисторных микрофонов (весьма мало распространенных) основывается на том, что под действием звукового давления на диафрагму и скрепленное с ней острие, являющееся одновременно эмиттером полупроводникового триода, изменяется сопротивление эмиттерного перехода через него. Хотя транзисторные микрофоны с диафрагмой достаточно чувствительны, но они недостаточно стабильны и их частотные характеристики даже в сравнительно узком диапазоне частот неравномерны.

Стереофонический микрофон

Стереофонический микрофон представляет собой систему из двух микрофонов, конструктивно размещенных в общем корпусе на одной оси друг над другом. Для записи по системе XY применяют стереофонические микрофоны, состоящие из двух одинаковых монофонических микрофонов с кардиоидными характеристиками направленности, причем акустические оси левого и правого микрофонов повернуты на 90° относительно друг друга (рис. 2, а). При записи по системе MS один из микрофонов (микрофон середины) имеет круговую характеристику направленности, а другой (микрофон стороны) - косинусоидальную характеристику направленности (рис. 2, б).

О микрофонах (Устройство и принцип действия микрофонов)Рис. 2. Характеристики направленности стереофонических микрофонов

Радиомикрофон

Радиомикрофон представляет собой систему, состоящую из микрофона, переносного малогабаритного передатчика и стационарного приемника. Микрофон чаще всего используют динамический катушечный или электретный. Передатчик либо совмещают в одном корпусе с микрофоном, либо выполняют карманного типа. Он излучает энергию радиочастот в УКВ диапазоне на одной из фиксированных частот. Вследствие влияния дополнительных преобразований в системе "передатчик - эфир - приемник" качественные параметры радиомикрофона уступают параметрам обычного микрофона.

Для приема речи в условиях окружающего шума применяют ларингофоны. Эти приборы воспринимают механические колебания гортани, возникающие при речеобразовании. Для этого ларингофоны (обычно пара) прижимаются к шее в области гортани. По принципу преобразования ранее применялись угольные ларингофоны, а в настоящее время - электромагнитные. Отличие их от соответствующих микрофонов в том, что в них нет диафрагм, на которые воздействует звуковое давление, а подвижный элемент вследствие инерции перемещается относительно корпуса колеблющегося в такт с колебанием гортани, к которой он прилегает.

fdstar.com

Устройство микрофонов

Тема

Устройство микрофонов

Звуковые колебания, воспринятые мембраной, должны быть преобразованы в электрические сигналы. Для этого к мембране присоединяют электромеханический преобразователь, работающий в генераторном режиме.

В зависимости от того, какая система преобразования использована в микрофоне, различают электродинамические, электромагнитные, электростатические, пьезоэлектрические и угольные микрофоны.

Микрофоны электромагнитной системы. Разборчивая передача речи по проводам впервые была осуществлена 3 июля 1875 г. А. Беллом (1847 – 1922) при помощи микрофона электромагнитной системы. Микрофон запатентован в 1876 г.

Конструкция микрофона показана на рис. 1, где в роли якоря выступает мембрана микрофона. Однако, такая конструкция мало пригодна для практического применения, т. к.:

- на мембрану действует постоянная составляющая силы, прогибающая мембрану, и мембрана должна быть достаточной толщины, чтобы противостоять этому воздействию;

- магнитное сопротивление мембраны должно быть небольшим, что также требует увеличения её толщины.

Толстая мембрана обладает большой инерцией и, следовательно, будет плохо воспроизводить верхние частоты звукового диапазона. Для улучшения характеристик микрофона необходимо компенсировать постоянную составляющую силы. Это можно сделать, поместив мембрану между полюсами двух магнитов. Так, например , устроен распространенный в СНГ микрофон ДЭМШ (см. рис. 1).

Устройство микрофона ДЭМШ Рисунок 1

Диапазон воспроизводимых частот микрофона ДЭМШ 300 – 3000 Гц, средняя чувствительность при работе на нагрузку 600 Ом – 0.22 мВ/Па, модуль полного сопротивления -

Ом, габариты мм, масса – 14 г.

Как видим, парметры микрофона обеспечивают запись речи, но не позволяют осуществить запись музыкальных программ.

Ещё можно встретить микрофон электромагнитной системы МЭМ-60. Этот микрофон воспроизводит диапазон частот

Гц.

Имеет чувствительность на нагрузке 600 Ом и частоте 1000 Гц равную ~ 10 мВ/Па. Модуль полного сопротивления 300 Ом. Габариты

мм и массу 400 г.

Микрофоны электромагнитной системы отличаются высокой vеханической прочностью, надежностью и применяются на транспорте, в армии – там, где тяжелые условия эксплуатации.

Первые идеи и работы по созданию микрофона электродинамической системы связаны с именами Каттриса, Реддинга и Сименса (C. Cuttris, J. Redding патент США № 242.816, 1881 г.; SimensE.W. немецкий патент № 2355, 1878 г.).

Однако, первые образцы микрофона, пригодные для практического применения, созданы Вентом и Тьюрасом (WenteE.C., ThurasA.L. J. Ac. Soc. Am. Vol. 3, july 1931). Различают катушечные и ленточные микрофоны этой системы.

Катушечный микрофон представляет собой мембрану, к которой прикреплена катушка, содержащая несколько десятков витков провода. Катушка помещена в радиальное магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом.

При воздействии на мембрану звуковых волн, колебания мембраны передаются катушке и в ней возникает э.д.с. е =

. Частотная характеристика микрофона (т.е. зависимость е от частоты f) должна быть равномерной.

Чтобы выяснить, при каких условиях это возможно, напишем выражение для чувствительности микрофона:

(1)

где

=- коэффициент нагрузки микрофона, - коэффициент электромеханической связи, - механическое сопротивление колебательной системы микрофона. - акустическая чувствительность микрофона. Единственный член в формуле (1.), который зависит от частоты – механическое сопротивление z.

Следовательно, механическая и акустическая часть должна быть построена так, чтобы в пределах рабочей полосы частот сопротивление z оставалось неизменным или менялось незначительно.

Практически это достигается созданием сложных (состоящих из нескольких колебательных контуров) резонансных систем. Таким способом удаётся получить частотную характеристику микрофона с полосой частот

Гц и неравномерностью дБ. На рис. 2 показана конструкция микрофона МД-85А.

1 – капсюль, 2 – корпус, 3 – крышка, 4 – кабель, 5 – прижимная деталь, 6 – манжета, 7 – амортизатор, 8 – мембрана, 9 – звуковая катушка, 10 – магнит, 11 – стакан, 12 – фланец, 13 – полюсный наконечник, 14 – ткань, 15 – накладка, 16 – объём в корпусе, 17 – отверстия в дне корпуса, 18 – боковые отверстия корпуса. Рисунок 2

Полости капсюля и корпуса, связанные между собой через отверстия, образуют сложную резонансную систему.

Благодаря простоте и надежности конструкции, хорошим электроакустическим параметрам катушечные микрофоны получили широкое распространение.

Ленточный микрофон представляет собой гибкую ленточку длиной

см, помещенную между полюсными наконечниками постоянного магнита (см. рис. 3).

В полюсных наконечниках делают ряд отверстий для того, чтобы уменьшить разность хода волн, действующих на ленточку с разных сторон. Расстояние между отверстиями не превышает 1.7 см, что обеспечивает равномерность частотной характеристики до ~ 15000 Гц.

Магнитная индукция в зазоре ~ 1 Тл. Э.д.с. порядка 1 мВ. Для повышения выходного напряжения микрофон снабжен трансформатором с коэффициентом трансформации 50 или более.

При этом выходное сопротивление микрофона получается около

Ом. Осевая чувствительность микрофона:

где n – коэффициент трансформации, S – площадь ленточки, l – длина ленточки,

- резонансная частота подвижной системы, СМ – гибкость ленточки.

Из этой формулы следует, что для повышения чувствительности ленточного микрофона необходимо увеличивать площадь ленточки, индукцию в щели и гибкость ленточки.

Эти требования – противоречивы, т.к. увеличение площади (за счет увеличения ширины ленточки) приводит к уменьшению гибкости. Обычно ленточку делают гофрированной и уменьшают её толщину до 2 микрон, но при этом теряется прочность. Поэтому ленточные микрофоны используют только в помещениях, т.к. даже дуновение ветра может порвать ленточку

1 – гофрированная ленточка, 2 – полюсные наконечники с отверстиями, 3 – постоянный магнит, 4 – щель между полюсными наконечниками, 5 – отверстия в полюсных наконечниках, 6 – изоляционные планки.Устройство ленточного микрофона.Рисунок 3

Отечественные микрофоны электродинамической системы маркируют буквами: МД – катушечные микрофоны, МЛ – ленточные микрофоны.

Микрофоны электростатической системы. Электростатические преобразователи были предложены Эдисоном и Долбье. Однако, первый микрофон электростатической системы создан Вентом (E.C. Wente. Phys. Rev., Vol. 10., pp. 39-63, July, 1917).

Микрофон представляет собой конденсатор, образованный массивным основанием и тонкой мембраной, изолированной от основания прокладкой (см. рис. 2). На этот конденсатор через резистор R подано поляризующее напряжение U= .

Под действием звуковых волн мембрана совершает колебательное движение. Расстояние между мембраной и основанием d изменяется. Следовательно, изменяется ёмкость микрофона С. Относительное изменение ёмкости микрофона

Период звуковых колебаний обычно меньше постоянной времени

. Поэтому заряд конденсатора не успевает измениться за время одного периода, т.е. .

Но тогда

и

Изменения напряжения на конденсаторе пропорциональны изменениям расстояния между обкладками конденсатора. Эти изменения и являются э.д.с. микрофона е.

Если колебания происходят по гармоническому закону

то скорость колебаний

Коэффициент электромеханической связи

Чувствительность микрофона:

mirznanii.com

Устройство и принцип действия микрофонов

Свойства акустико-механической системы сильно зависят от того, воздействует ли звуковое давление на одну сторону диафрагмы (микрофон давления) или на обе стороны, а во втором случае от того, симметрично ли это воздействие (микрофон градиента давления) или на одну из сторон диафрагмы действуют колебания, непосредственно возбуждающие ее, а на вторую - прошедшие через какое-либо механическое или акустическое сопротивление или систему задержки времени (асимметричный микрофон градиента давления).Большое влияние на характеристики микрофона оказывает его механоэлектрическая часть.

Первым получил распространение угольный микрофон, который и до сих пор используют в телефонии. Действие его основывается на изменении сопротивления между зернами угольного порошка при изменении давления на их совокупность.

Угольный микрофон) работает следующим образом. При воздействии звукового давления на его диафрагму  она начинает колебаться. В такт этим колебаниям изменяется и сила сжатия зерен угольного порошка , в связи с чем изменяется сопротивление между электродами , а при постоянном электрическом напряжении изменяется и ток через микрофон. Если, скажем, включить микрофон к первичной обмотке трансформатора Т, то на зажимах его вторичной обмотки будет возникать переменное напряжение, форма кривой которого будет отображать форму кривой звукового давления, воздействующего на диафрагму микрофона. Основное преимущество угольного микрофона - высокая чувствительность, позволяющая использовать его без усилителей. Недостатки - нестабильность работы и шум из-за того, что полезный электрический сигнал вырабатывается при разрыве и восстановлении контактов между отдельными зернами порошка, большая неравномерность частотной характеристики и значительные нелинейные искажения.

После угольного микрофона появился электромагнитный микрофон, который работает следующим образом Перед полюсами (полюсными наконечниками)  магнита  располагают ферромагнитную диафрагму  или скрепленный с ней якорь. При колебаниях диафрагмы под воздействием на нее звукового давления меняется магнитное сопротивление системы, а значит, и магнитный поток через витки обмотки, намотанной на магнитопровод этой системы. Благодаря этому на зажимах обмотки возникает переменное напряжение звуковой частоты, являющееся выходным сигналом микрофона. Электромагнитный микрофон стабилен в работе. Однако ему свойственны узкий частотный диапазон, большая неравномерность частотной характеристики и значительные нелинейные искажения. В противоположность электромагнитному микрофону чрезвычайно широкое распространение для целей озвучения, звукоусиления получил электродинамический микрофон в своих двух модификациях - катушечной и ленточной.

Принцип действия электродинамического катушечного микрофона состоит в следующем В кольцевом зазоре  магнитной системы, имеющей постоянный магнит , находится подвижная катушка , скрепленная с диафрагмой . При воздействии на последнюю звукового давления она вместе с подвижной катушкой начинает колебаться. В силу этого в витках катушки, перерезывающих магнитные силовые линии, возникает напряжение, являющееся выходным сигналом микрофона. Электродинамический микрофон стабилен, имеет довольно широкий частотный диапазон, сравнительно небольшую неравномерность частотной характеристики.

Устройство ленточного электродинамического микрофона несколько отличается от устройства катушечной модификации Здесь магнитная система микрофона состоит из постоянного магнита  и полюсных наконечников , между которыми натянута легкая, обычно алюминиевая, тонкая (порядка 2 мкм) ленточка . При воздействии на обе ее стороны звукового давления возникает сила, под действием которой ленточка начинает колебаться, пересекая при этом магнитные силовые линии, вследствие чего на ее концах развивается напряжение. Т.к. сопротивление ленточки очень мало, то для уменьшения падения напряжения на соединительных проводниках напряжение, развиваемое на концах ленточки подается на первичную обмотку повышающего трансформатора, размещенного непосредственно вблизи ленточки. Напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора является выходным напряжением микрофона. Частотный диапазон этого микрофона довольно широк, а неравномерность частотной характеристики невелика.

Для электроакустических трактов высокого качества наибольшее распространение в настоящее время получил конденсаторный микрофон. Принципиально он работает следующим образомЖестко натянутая мембрана  под воздействием звукового давления может колебаться относительно неподвижного электрода , являясь вместе с ним обкладками электрического конденсатора. Этот конденсатор включается в электрическую цепь последовательно с источником постоянного тока Е и активным нагрузочным сопротивлением R. При колебаниях мембраны емкость конденсатора меняется с частотой воздействующего на мембрану звукового давления, в связи с чем в электрической цепи появляется переменный ток той же частоты и на нагрузочном сопротивлении возникает падение напряжения, являющееся выходным сигналом микрофона. Нагрузочное сопротивление должно быть большим, чтобы падение напряжения на нем не уменьшалось сильно на низких частотах, где емкостное сопротивление конденсатора очень велико и эксплуатация такого микрофона была бы невозможна из-за сравнительно небольшого сопротивления микрофонных линий и нагрузки. По этой причине почти у всех современных конденсаторных микрофонов предусмотрены конструктивно связанные с самим микрофоном усилители, имеющие малый коэффициент усиления (порядка 1), высокое входное и низкое выходное сопротивления. Конденсаторные микрофоны имеют самые высокие качественные показатели: широкий частотный диапазон, малую неравномерность частотной характеристики, низкие нелинейные и переходные искажения, высокую чувствительность и низкий уровень шумов.

Электретные микрофоны, по существу, те же конденсаторные, но постоянное напряжение для них обеспечивается не обычным источником, а электрическим зарядом мембраны или неподвижного электрода, материалы которых отличаются тем, что способны сохранять этот заряд длительное время.

Некоторое распространение получили микрофоны пьезоэлектрические Их действие основано на том, что звуковое давление воздействует непосредственно или через диафрагму 1 и скрепленный с ней стержень 2 на пьезоэлектрический элемент 3. При деформации последнего на его обкладках вследствие пьезоэлектрического эффекта возникает напряжение, являющееся выходным сигналом микрофона.

Действие транзисторных микрофонов (весьма мало распространенных) основывается на том, что под действием звукового давления на диафрагму и скрепленное с ней острие, являющееся одновременно эмиттером полупроводникового триода, изменяется сопротивление эмиттерного перехода через него. Хотя транзисторные микрофоны с диафрагмой достаточно чувствительны, но они недостаточно стабильны и их частотные характеристики даже в сравнительно узком диапазоне частот неравномерны.

Стереофонический микрофон представляет собой систему из двух микрофонов, конструктивно размещенных в общем корпусе на одной оси друг над другом. Для записи по системе XY применяют стереофонические микрофоны, состоящие из двух одинаковых монофонических микрофонов с кардиоидными характеристиками направленности, причем акустические оси левого и правого микрофонов повернуты на 90° относительно друг друга (). При записи по системе MS один из микрофонов (микрофон середины) имеет круговую характеристику направленности, а другой (микрофон стороны) - косинусоидальную характеристику направленности

Радиомикрофон представляет собой систему, состоящую из микрофона, переносного малогабаритного передатчика и стационарного приемника. Микрофон чаще всего используют динамический катушечный или электретный. Передатчик либо совмещают в одном корпусе с микрофоном, либо выполняют карманного типа. Он излучает энергию радиочастот в УКВ диапазоне на одной из фиксированных частот. Вследствие влияния дополнительных преобразований в системе "передатчик - эфир - приемник" качественные параметры радиомикрофона уступают параметрам обычного микрофона.

 

audioakustika.ru