5.5. КОНДЕНСАТОРНЫЕ И ЭЛЕКТРЕТНЫЕ МИКРОФОНЫ

Принцип действия. Конструкция конденсаторного микрофона (рис. 5.14а) представляет собой конденсатор, один из электродов которого массивный а второй — тонкая натянутая мембрана 1. На конденсатор подано поляризующее напряжение через высокоомное сопротивление Заметим, что источник поляризующего напряжения не расходует энергии, так как постоянной составляющей тока нет.

Рис. 5.14. Кондеесаторный микрофон: а) прицип действия; б) электрическая схемя микрофона;

1 — мембрана; 2 — изоляционная прокладка; 3 — массивный электрод; 4 — зазор между электродами

При колебаниях мембраны емкость конденсатора изменяется, а так как заряд остается (постоянным (конденсатор не успевает перезаряжаться из-за большой постоянной времени то изменяется напряжение на нем. Это дополнительное напряжение и будет являться ЭДС от действия звукового давления на мембрану (рис. 5.146). Напряжение, получаемое на нагрузке, несколько меньше ЭДС из-за падения напряжения на емкости конденсатора.

В электретном микрофоне, в отличие от конденсаторного, поляризующее напряжение образовано предварительной электризацией одного из электродов, изготовляемого из полимеров или керамических поляризующихся материалов. Такой электрод имеет металлическое покрытие, которое, по существу, и является электродом конденсатора, а электрет служит лишь источником поляризующего напряжения. Поляризация электрета постепенно уменьшается и через несколько лет требуется или его замена, или повторная поляризация. В этом недостаток электретного микрофона по сравнению с

конденсаторным, но и достоинство, так как для него не требуется источник напряжения. По механическим, акустическим характеристикам, а также по конструкции электретный микрофон ничем не отличается от конденсаторного.

Приемник давления. Для этого приемника акустическая чувствительность почти не зависит от частоты, так как где эффективная поверхность мембраны.

Чтобы неравномерность электрической характеристики была небольшой, необходимо выполнить условие где — нижняя граница передаваемого частотного диапазона. А так как емкость конденсатора составляет то для нижней границы Гц необходимо иметь сопротивление нагрузки Поскольку входное сопротивление усилителя должно быть в 10—20 раз больше сопротивления нагрузки, оно будет составлять примерно тысячи мегомов. При таких высоких входных сопротивлениях получается относительно высокий уровень собственных шумов микрофона. Это одно из слабых мест конденсаторного и электретного микрофонов. Но поскольку шумы создаются преимущественно в области низких частот, то это несколько облегчает применение этих микрофонов, так как на этих частотах музыкальные и речевые сигналы имеют достаточно высокие уровни (см. §3.4).

Если расстояние между электродами конденсатора изменяется, то соответственно изменяется емкость Изменение емкости вызывает изменение напряжения на конденсаторе Абсолютное изменение напряжения есть ЭДС эквивалентного генератора, а изменение расстояния между электродами в среднем равно смещению мембраны, т. е. поэтому Но. так как для синусоидального процесса

или то коэффициент электромеханической связи

Для получения равномерной частотной характеристики микрофона (5.10) необходима взаимная коррекция коэффициента электромеханической связи и механической характеристики

Следовательно, механическое сопротивление подвижной системы микрофона должно быть обратно

пропорционально частоте. Из (4.1) и (4.2) следует, что это возможно, когда или где масса мембраны; упругость системы, состоящая из упругости мембраны и упругости воздуха в объеме под ней.

Таким образом, компенсация характеристик получается, когда основная резонансная частота подвижной системы — мембраны — будет выше самой высокой частоты передаваемого диапазона, т. е. при Для этого мембрана должна быть сильно натянута.

Чувствительность микрофона будет определяться выражением (5.10)

так как

Отношение поляризующего напряжения к расстоянию между электродами определяется электрическими прочностями воздуха и тонкого слоя диэлектрика, покрывающего электроды. При конденсатор пробивается, поэтому при расстоянии, равном поляризующее напряжение берут не более 150 В.

При заданной резонансной частоте масса мембраны должна быть возможно меньшей. Изготовляют ее обычно из дюралюминия или полимерной пленки, покрытой тонким слоем золота. Массу уменьшают за счет толщины. Но при этом соблюдают высокую механическую прочность на разрыв.

Чтобы повысить чувствительность микрофона, необходимо снизить резонансную частоту мембраны. Но чтобы при этом не создавать большую неравномерность частотной характеристики, необходимо ввести затухание в колебательную механическую систему. Для этой цели в неподвижном электроде делают канавки с острыми углами (рис. 5.15). При колебаниях мембраны воздух под ней протискивается вдоль радиусов электродов, вследствие чего образуются завихрения, вносящие существенные потери в механическую колебательную систему. Эти потери подбирают так, чтобы частотная характеристика была близка к равномерной (рис. 5.16, кривая 2). Обычно частоту резонанса в этих условиях берут вдвое

ниже верхней границы передаваемого частотного диапазона.

Частотная характеристика конденсаторного микрофона отличается своей равномерностью. В диапазоне до резонанса мембраны неравномерность может быть сделана очень малой, выше резонанса она несколько увеличивается.

Рис. 5.116. Схематический разрез капсюля микрофона: 1 — массивный электрод; 2 — мембрана; 3 — зазор между электродами; 4 — изоляционная прокладка; канавки для демпфирования: канал и резиновая пленка для выравнивания атмосферного давления

Вследствие малой неравномерности характеристики конденсаторные микрофоны часто используют как измерительные.

Рис. 5.16. Частотная характеристика конденсаторного микрофона: 1 — без демпфирования; 2 — с демпфированием

Измерительные микрофоны изготовляют на диапазон частот от 20—30 Гц до с неравномерностью до частоты и не более выше Размеры капсюля такого микрофона берут в пределах из-за этого он практически ненаправлен до частоты Чувствительность его не превышает — Микрофоны для передачи музыки имеют диапазон частот 20—20 000 Гц с неравномерностью частотной характеристики в диапазоне 50—15 000 Гц не выше Диаграмма направленности отклоняется от окружности только на самых высоких частотах передаваемого диапазона.

Недостаток конденсаторных микрофонов — необходимость применения усилителя возле самого капсюля. Раньше это сильно увеличивало размеры микрофона. С появлением полевых транзисторов это не вызывает особых конструктивных трудностей.

Стандартный уровень чувствительности конденсаторных микрофонов с усилителем составляет — (в микрофонах для кинозаписи уровень чувствительности составляет Уровень собственных шумов микрофона составляет т. е. на выше, чем у динамических микрофонов.

Комбинированные приемники. Наиболее распространенными конденсаторными микрофонами являются микрофоны, комбинированные из двух несимметричных приемников градиента давления (рис. 5.17).

Рис. 5.17. Капсюль комбинированного конденсаторного микрофона: 1 — массивный электрод; 2 — мембраны; 3 — канавки для демпфирования; 4 — каналы для передачи звукового давления и внутренней стороны мембраны; 5 — изоляционные прокладки

В таком микрофоне средний электрод 1 массивный, металлический, а два внешних электрода 2 изготовляются из тонкой, прочной полимерной пленки с золотым покрытием. Обе пленки натянуты до возможного прёдела. В неподвижном электроде сделаны как канавки для демпфирования 3, так и сквозные каналы 4. Кроме того, в корпусе есть небольшое отверстие, затянутое гибкой пленкой и служащее для выравнивания атмосферного давления. Звуковое давление, действующее на внешнюю сторону любой из мембран, передается через каналы в неподвижном электроде к внутренней стороне другой мембраны. Поэтому на каждую из мембран действует звуковое давление с внешней стороны, а через каналы — с внутренней. Между звуковыми давлениями есть сдвиг по фазе, обусловленный разностью хода звуковых волн, которая, в свою очередь, определяется толщиной капсюля микрофона.

В одном варианте поляризующее напряжение подают между неподвижным и одним из подвижных электродов микрофона — мембраной. Вторая мембрана в этом случае выполняет роль только передатчика колебаний извне к внутренней стороне рабочей мембраны. В этом случае микрофон имеет кардиоидную характеристику направленности.

Бели подать поляризующее напряжение еще и между второй мембраной и неподвижным электродом, то

получим два микрофона, каждый с кардиоидной характеристикой. Из двух кардиоидных можно получить круговую характеристику, если включить выходы микрофонов в фазе: или косинусоидальную («восьмерку»), если соединить их в противофазе:

Таким образом, простым переключением можно получить три типа характеристики направленности.

В настоящее время микрофоны имеют частотный диапазон Гц, неравномерность частотной характеристики — не более уровень чувствительности (МК-13 имеет — средний индекс фронт/тыл для простого кардиоидного варианта уровень собственного шума

Электретные микрофоны выпускают пока только для бытовых магнитофонов. Частотный диапазон их составляет 50—15 000 Гц, неравномерность частотной характеристики уровень собственного шума Из-за высокого уровня шумов они непригодны для вещательных систем.