Микрофон

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 23:04, 17 ноября 2016.


Микрофон - устройство преобразования акустических колебаний воздушной среды в электрические сигналы. Для перехвата акустической воздушной волны наиболее широко используются микрофоны.[1]

Общие положения

Принцип работы микрофона заключается в том, что давление звуковых колебаний воздуха, воды или твёрдого вещества действует на тонкую мембрану микрофона. В свою очередь, колебания мембраны возбуждают электрические колебания; в зависимости от типа микрофона для этого используются явление электромагнитной индукции, изменение ёмкости конденсаторов или пьезоэлектрический эффект.

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 её, 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.

Классификация

Микрофоны могут быть классифицированы по различным признакам:

  • по принципу преобразования акустических (звуковых волн) в электрические;
  • по способу воздействия звуковых волн на диафрагму микрофона,
  • по конструкторскому исполнению;
  • по признакам характеристики направленности;
  • по электрическим параметрам и т.п.

По признаку преобразования акустических колебаний

  1. Электродинамические
  2. Электромагнитные
  3. Электростатические
  4. Угольные
  5. Пьезоэлектрические
  6. Полупроводниковые

По признаку приема звуковых колебаний

  1. приемники звукового давления, действующего на диафрагму;
  2. приемники градиента давления, реагирующего на разность звуковых давлений, действующих на обе стороны диафрагмы;
  3. приемники комбинированного типа, сочетающие свойства приемников звукового давления и градиента давления;

Схемы приема акустических волн микрофоном-приемником

  • Звукового давления;
  • микрофон-приемник градиента звукового давления.

В микрофонах-приемниках давления, давление звукового поля действует только на одну сторону диафрагмы, другая сторона конструктивно защищена от этого воздействия. В микрофонах-приемниках градиента давления разность давлений поля воздействует на обе стороны диафрагмы.

Микрофонами-приемниками градиента давления являются ленточные микрофоны(рис.1д). В зазоре между полюсными наконечниками 2, постоянного магнита 4 подвешена лента из алюминиевой фольги I толщиной 3 - 4 мкм. Частота собственных колебаний ленты 15-20 Гц. Такие микрофоны имеют чувствительность 1 - 2 мВ/Па и обеспечивают передачу широкого диапазона частот.

По воздействию звуковых колебаний на подвижную систему микрофона

Различие по воздействию звуковых колебаний на подвижную систему микрофона определяет и разные виды характеристик направленности микрофона. Зависимость чувствительности микрофона на данной частоте от угла между акустической осью и направлением на источник звука изображается обычно графически в полярных координатах.

По этому признаку микрофоны подразделяются на пять типов:

  • ненаправленные (с круговой диаграммой)
  • двусторонне направленная ("восьмерка")
  • односторонне остронаправленные (суперкардиоида и гиперкардиоида) - 3г и Зд.

Направленность микрофона характеризует отношение чувствительности микрофона к осевой чувствительности.

Микрофон ненаправленного действия обладает постоянной чувствительностью независимо от направления, по которому проходят звуковые волны. Рабочее пространство такого микрофона - сфера. Следует, однако, отметить, что на частотах, где длина волны становится соизмеримой с размерами микрофона начинает сказываться экранирующее действие корпуса микрофона. Поэтому, начиная с частот 1000 - 2000 Гц у микрофона появляется заметная направленность, а на частотах 10-15 кГц она становится весьма значительной.

Двусторонне направленные микрофоны имеют одинаковую чувствительность с фронтальной и тыльной сторон диафрагмы, чувствительность их в поперечном направлении равна нулю. Подобная характеристика сохраняется как для нижних, так и для высоких частот.

Односторонне направленные микрофоны чувствительны к звуковым волнам, приходящим со стороны максимальной направленности микрофона. Для получения остронаправленной характеристики микрофона используют различные конструкции микрофона - с интерференционным элементом или параболическим рефлектором, плоская фазированная решетка или градиентный микрофон. Микрофоны также классифицируются по требованиям эксплуатации, стойкости их к климатическим и механическим воздействиям (эксплуатация на открытом воздухе, в закрытых помещениях, под навесом, в помещениях с повышенной влажностью и т.п.). Одним из основных параметров микрофона являются осевая чувствительность микрофона, расположенного в свободном поле при распространении синусоидальной звуковой волны в направлении акустической оси микрофона.


Ее определяют по формуле:

,
где - напряжение на входе микрофона;
- звуковое давление.


Чувствительность микрофона по диффузному полю определяется зависимостью:

где - звуковое давление в точке до размещения в ней микрофона.


При этом под свободным полем мы понимаем такое поле, в котором преобладает прямая звуковая волна, а отраженные звуковые волны отсутствуют или настолько малы, что ими можно пренебречь. Диффузное поле - это такое поле, в каждой точке которого одинакова плотность звуковой энергии и в котором по всем направлениям распространяются одинаковые потоки звуковой энергии. Стандартный уровень чувствительности (дБ) определяется по формуле;

где - напряжение, развиваемое на номинальном сопротивлении нагрузки Rном при звуковом давлении 1Па;
- мощность электрического сигнала микрофона при давлении 1Па.


Уровень собственного шума микрофона (дБ) определяется по формуле:

где - эффективное значение напряжения, обусловленного флюктуациями давления в окружающей среде и тепловыми шумами схемы микрофона;
- напряжение при воздействии на микрофон полезного сигнала с эффективным действием 0,1 н/м2. Характеристика направленности микрофона может быть представлена уравнением улитки


Паскаля:

где - отношение чувствительности микрофона (под углом 0 к его оси) к осевой чувствительности ;
- отношение чувствительности приемника к градиенту давления, определяющее форму характеристики направленности.

Выходное напряжение

В зависимости от действующей на диафрагму микрофона результирующей силы звукового давления F величина выходного напряжения микрофона определяется величиной:

  • для угольного микрофона
    где - коэффициент модуляции;
    - приложенное к микрофону постоянное напряжение;
    - сопротивление нагрузки микрофона;
    - отношение коэффициента модуляции к величине смещения диафрагмы микрофона;
    - действующая на диафрагму микрофона результирующая сила звукового давления;
    - коэффициент трансформации;
    - внутреннее сопротивление микрофона;
    - механическое сопротивление акустической системы микрофона.
  • для электромагнитного микрофона;
    где - число витков обмотки;
    - магнитный ток, исходящий из полюса магнитной системы;
    - зазор между полюсом и якорем;
    - внутреннее электрическое сопротивление микрофона.
  • для электродинамического катушечного микрофона:
    где - индукция в зазоре магнитной системы;
    - длина проводника обмотки подвижной катушки;
    - колебательная частота диафрагмы (якоря).

Сила звукового давления

Результирующая сила звукового давления микрофона (т.е. сила, действующая на одну сторону диафрагмы) определяется соотношением:

где - звуковое давление, имевшее место в акустическом поле до внесения в него микрофона;
- коэффициент дифракции, определяемый как отношение звукового давления на поверхность диафрагмы к давлению ;
- поверхность диафрагмы, на которую воздействует звуковое давление.

См. также

  • http://www.f-mx.ru/kommunikacii_svyaz_cifrovye_pribory_i/akustoelektricheskie_preobrazovatelia.html