Автор работы: Пользователь скрыл имя, 22 Сентября 2014 в 18:25, доклад
Микрофон - это электроакустический прибор, преобразующий акустические звуковые колебания воздушной среды в электрические сигналы. Он является первым звеном любого тракта звукозаписи, звукоусиления, речевой связи. Его характеристики и условия эксплуатации во многом определяют качество сигнала во всем тракте. Многие виды искажений звуковых сигналов (нелинейные, переходные, особенности передачи акустической обстановки и перспективы) и различных помех (ветровых, вибрационных, акустических) часто не могут быть ликвидированы последующей обработкой сигналов без существенного ухудшения полезных составляющих.
Конденсаторные (электростатические) микрофоны (КМ) имеют два электрода - подвижный и неподвижный, образующие обкладки конденсатора (рис. 6). Подвижный электрод - мембрана из металлической фольги или полимерной металлизированной пленки толщиной несколько микрон. Под действием звукового давления она колеблется относительно неподвижного электрода, что приводит к изменению емкости капсюля (конденсатора) относительно состояния покоя. В КМ величина изменения емкости, а значит, и выходной электрический сигнал должны соответствовать звуковому давлению. Степень соответствия выходного напряжения звуковому давлению по амплитуде и частоте определяет ЧХЧ и динамический диапазон конкретного микрофона.
Неотъемлемой частью любого КМ является узел, согласующий электрический импеданс преобразователя с последующим усилительным устройством. Это электрическое звено КМ может быть высокочастотного и низкочастотного типов.
При высокочастотном типе преобразования капсюль КМ подключен к цепи контура генератора высокой частоты (порядка нескольких МГц). При этом получается частотная модуляция сигнала ВЧ, и лишь после демодуляции образуется сигнал звуковой частоты. Такое включение капсюля не требует поляризующего напряжения, для него характерен низкий уровень собственных шумов микрофона. Однако высокочастотная схема в микрофоне не нашла широкого применения в основном из-за сложности стабилизации частоты и в промышленных моделях микрофонов звукового диапазона встречается редко.
В дальнейшем изложении принципов работы и разновидностей КМ мы будем иметь в виду КМ с низкочастотным звеном, к которым относится большинство современных моделей КМ. В них преобразование звукового давления в электрический сигнал происходит при внешней или внутренней (электретной) поляризации.
КМ в системе с внешней поляризацией (рис. 6) образует из электродов плоский конденсатор емкостью 10...100 пФ с воздушным зазором 20...40 мкм, который через сопротивление порядка 0,5...2 ГОм заряжается от источника внешнего напряжения UП. При колебаниях мембраны под действием звукового давления или разности давлений величина заряда обкладок изза большой постоянной времени RC-цепочки остается неизменной. Величина переменной составляющей напряжения, образующегося в результате колебаний мембраны и соответствующим изменением емкости, пропорциональна смещению мембраны.
Примерно двадцать лет назад за рубежом и у нас в стране начато промышленное производство электретных конденсаторных микрофонов, для которых не нужен внешний источник поляризующего напряжения; в них в качестве мембраны используется полимерная электретная пленка, металлизированная с внешней стороны. Эта пленка поляризуется одним из известных способов и обладает свойством длительное время сохранять постоянный поверхностный заряд. Таким образом, вместо внешнего используется внутренний источник. В остальном работа такого преобразователя принципиально ничем не отличается от обычного КМ.
В НИИРПА в начале 80-х годов был разработан ряд однонаправленных и ненаправленных конденсаторных микрофонов, но в настоящее время большинство из них по разным причинам снято с производства. В последнее время при разработке новых моделей микрофонов электретный материал тем или иным способом наносят на неподвижный электрод, что позволяет применять в качестве мембраны более тонкие металлические и полимерные пленки, обладающие по сравнению с электретной пленкой существенно более высокими механическими параметрами. Это позволяет при той же чувствительности капсюля иметь более широкий номинальный диапазон частот направленного приема, расширенный как в сторону низких (за счет уменьшения толщины, а значит, изгибной жесткости мембраны), так и в сторону высоких (вследствие уменьшения массы мембраны) звуковых частот.
В качестве примера таких профессиональных микрофонов можно привести выпускаемые петербургскими предприятиями кардиоидный одномембранный электретный микрофон МКЭ-13М ("Микрофон-М") и ненаправленный "петличный" МКЭ-400 ("Неватон"), не уступающие по своим характеристикам лучшим моделям зарубежных фирм (в том числе КМ с внешним источником напряжения) и пользующиеся популярностью в большей степени на студиях Западной Европы, чем России.
a)одномембранный
микрофон:
| |
Упрощенно конструкция капсюлей КМ представлена на рис. 7. Из рисунков видно, что одномембранный конденсаторный микрофон (small diaphragm) при соответствующем выборе конструктивных параметров может быть с односторонней направленностью (рис. 7,а), ненаправленным (в этом случае щель 7 должна быть закрыта), а также с двусторонней направленностью (рис. 7,б).
В двухмембранном микрофоне (ДКМ или large twin diaphragm) обе мембраны могут быть электрически активными (рис. 7,б). Не вдаваясь подробно в физику процессов, происходящих в ДКМ, с чем можно познакомиться в специальной литературе, можно сказать, что каждая половинка капсюля ДКМ представляет в акустико-механическом плане отдельный микрофон с кардиоидной характеристикой направленности, второй акустический вход которого осуществляется не через щель, как в одномембранном микрофоне, а через вторую (противоположную) мембрану, причем максимумы чувствительности этих микрофонов развернуты на 180о . Такой микрофон принято также называть акустически комбинированным. Помимо акустического в ДКМ реализуется и электрическое комбинирование.
Так, подав поляризующее напряжение на одну из мембран (активную), а вторую (пассивную) замкнув на неподвижный электрод, можно получить, при правильном выборе конструктивных параметров, микрофон с односторонней ХН, близкой к кардиоиде. При подаче на вторую мембрану равного по величине и знаку поляризующего напряжения получим ненаправленный микрофон. При подаче же на вторую мембрану равного по величине и противоположного по знаку поляризующего напряжения получим двустороннюю направленность ("восьмерку"). В промежуточных случаях при необходимости можно получить любую ХН (см. рис. 1).
В качестве примера таких микрофонов с переключаемой ХН можно привести С414В-ULS (AKG), U87i и U89i (Neumann), а также отечественный МК51 ("Неватон").
Какие основные характеристики и параметры микрофонов служат критериями при их выборе и почему?
При выборе микрофонов для тех или иных условий работы необходимо учитывать всю совокупность технических и эксплуатационных требований, исходя из конкретных особенностей их использования. В связи с этим необходимо четко понимать, что же определяют технические характеристики микрофонов.
Основными техническими характеристиками, которые необходимо учитывать при выборе микрофонов, являются нижеследующие:
Так как в любой системе преобразования и усиления сигнала всегда присутствуют собственные шумы, а микрофон является начальным звеном такой системы, то величина создаваемого им полезного сигнала определяет соотношение "сигнал/собственный шум" всей системы. Поэтому снижение чувствительности микрофона является нежелательным фактором. Следует также иметь в виду, что стремление к увеличению ширины воспроизводимого микрофоном диапазона частот приводит к уменьшению абсолютной величины его чувствительности. С другой стороны, чем шире диапазон частот микрофона, тем труднее получить в его пределах стабильную ХН.
Тесно связано с ХН понятие коэффициента направленности , определяющего направленные свойства микрофона в дальнем (относительно источника) поле. Его чувствительность к расположенному по оси микрофона полезному источнику звука в раз выше, чем к источникам помех, распределенным вокруг микрофона (к диффузному полю), или, другими словами, при одном и том же отношении сигнал/помеха на входе микрофона направленный микрофон может находиться в раз дальше от полезного источника, чем ненаправленный. В некотором приближении можно считать, что ненаправленный микрофон малых (по сравнению с длиной звуковой волны) поперечных размеров достаточно точно воспринимает полезный сигнал в телесном угле 150...180╟. При более значительных размерах ненаправленного микрофона его ХН сильно зависит от частоты, заметно сужаясь на высоких частотах, поэтому угол охвата в этом случае нельзя считать большим 90╟. Для кардиоидного микрофона с постоянной по частоте ХН угол охвата равен 120╟, для суперкардиоидного - 90╟, гиперкардиоидного - 60╟, двусторонне направленного (с ХН "восьмерка") угол охвата равен 60╟ с каждой его стороны. Также полезно (например, для расчета систем звукоусиления) знать, что коэффициент направленности ( микрофона с ХН "круг" и "восьмерка" равен 1, с ХН "гиперкардиоида" - 4, "суперкардиоида" - 3,7, "кардиоида" - 3, а у остронаправленных микрофонов в среднем по диапазону он может достигать 5-7.
Вся совокупность требований, предъявляемых к конкретному микрофону, определяется его назначением.
На какие группы по назначению разделяют микрофоны?
По назначению микрофоны подразделяются на три большие группы:
Профессиональные микрофоны также существенно различаются по назначению:
Кроме того, микрофоны сильно отличаются по конструктивному решению в зависимости от условий их крепления и расположения относительно источника сигнала:
Дать какие-либо определенные рекомендации по выбору микрофонов без учета конкретных условий крайне затруднительно, так как микрофон определенного конструктивного решения и назначения (например, широкополосный конденсаторный микрофон для звукозаписи в студиях) может быть плохо совместим или даже совершенно неприемлем для других условий и назначения (например, в системах для проведения конференций или в качестве ручного для солистов). Возможно указать только общие правила, которыми следует руководствоваться при выборе микрофона для тех или иных целей.