РАЗДЕЛ 5. МИКРОФОНЫ И ЛАРИНГОФОНЫ

5.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

Микрофон (от микро и фон) — это устройство для преобразования акустических колебаний воздушной среды в электрические сигналы. В настоящее время существуют различные типы микрофонов, которые находят широкое применение в системах радиовещания, телевидения, телефонии, озвучения, звукоусиления, записи и усиления звука. Микрофон является первым и одним из наиболее важных звеньев любого электроакустического тракта. Поэтому его свойства оказывают огромное влияние на качество работы этого тракта.

Ларингофон (от ларинго и фон) — это устройство для преобразования механических колебаний связок и хрящей гортани говорящего человека в электрические сигналы. Он малочувствителен к колебаниям воздушной среды. Ларингофон применяется вместо микрофона на тех объектах связи, где имеются высокие уровни акустических шумов (самолет, танк, промышленный цех и др.). При работе ларингофон укрепляется на шее у гортани человека.

Микрофоны в зависимости от назначения подразделяют на профессиональные и бытовые (любительские). Первые Из. них используют при профессиональной звукозаписи в радиовещании, телевидении, системах звукоусиления, для акустических измерений и т. д. Они,

как правило, имеют высокие параметры качества. Бытовые микрофоны используют при домашней звукозаписи. Они проще по устройству, дешевле, но уступают профессиональным микрофонам по техническим параметрам.

По способу преобразования колебаний микрофоны подразделяют на электродинамические (катушечные и ленточные), электростатические (конденсаторные и электретные), электромагнитные, угольные и по диапазону воспринимаемых частот — на. узкополосные (речевые) и широкополосные (музыкальные); по направленности — на ненаправленные (круговые), двусторонненаправленные (восьмеричные или косинусоидальные), односторонненаправенные (кардиоидные, суперкардиоидные, гиперкардиоидные), остронаправленные; по помехозащищенности — на шумозащищенные и обычного исполнения.

Основные параметры микрофонов: номинальный диапазон частот, модуль полного электрического сопротивления, чувствительность по свободному полю, типовая частотная характеристика чувствительности, характеристика направленности, перепад чувствительности, фронт/тыл, коэффициент гармоник, динамический диапазон, разность уровней чувствительности стереофонической системы. Эти, а также и другие параметры микрофонов нормированы ГОСТ 6495-84 «Микрофоны, общие технические условия». В ГОСТ 16123-84 приведены термины и их определения. ГОСТ 6495-84 распространяется на динамические и конденсаторные микрофоны, используемые в системах звукозаписи, звукопередачи, звукоусиления и служебной связи в радиоэлектронной аппаратуре бытового и профессионального назначения.

По электроакустическим параметрам микрофоны разделяют на четыре группы сложности: нулевая (высшая), первая, вторая и третья. Микрофоны нулевой, первой и второй групп сложности предназначены для звукопередачи, звукозаписи и звукоусиления музыки и речи, микрофоны третьей группы сложности — только для речи. Кроме того, по некоторым параметрам микрофоны подразделяются на устройства высшей и первой категорий качества.

В соответствии с требованиями ГОСТ 6495 - 84 основные электроакустические параметры микрофонов должны удовлетворять нормируемым значениям при температуре относительной влажности воздуха и атмосферном давлении

Номинальный диапазон частот — тот диапазон частот, в котором микрофон воспринимает акустические колебания и в котором нормируются его параметры. Для профессиональных студийных целей обычно стремятся использовать микрофоны нулевой группы сложности высшей категории качества, для которых нормируется диапазон частот Гц. Микрофоны первой группы сложности должны иметь номинальный диапазон частот не менее Гц, второй группы Гц, третьей группы Гц.

Модуль полного электрического сопротивления (называемого также выходным или внутренним) нормируется на частоте Сопротивление может быть комплексным или активным Если оно комплексное и, следовательно, зависимое от частоты, то в справочниках приводят или модуль на частоте или среднее значение по диапазону частот. В для микрофонов нулевой и первой групп сложности нормируются значения модуля полного электрического сопротивления 50 Ом и менее, 100 и 200 Ом, а для микрофонов второй и третьей групп сложности также еще и

Во многих случах помимо модуля полного электрического сопротивления (или вместо него) в паспорте указывается номинальное сопротивление нагрузки т. е. такое сопротивление нагрузки, которое рекомендуется подключать к выходу микрофона при его работе. До 60-х годов рекомендовалось при работе выбирать номинальное сопротивление нагрузки равным входному сопротивлению микрофона т. е. При этом получался режим согласованного включения источника и нагрузки, характеризующийся максимальной передачей мощности сигнала. Но от микрофона требуется не максимум мощности, а максимум выделения напряжения на нагрузке. Поэтому сейчас обычно рекомендуется выбирать номинальное сопротивление нагрузки в несколько раз больше выходного сопротивления микрофона. Например, при выходном сопротивлении микрофона Ом рекомендуется номинальное сопротивление нагрузки Так как при этом оказывается т.е. получается режим работы, близкий к режиму холостого хода, то при этом напряжение при нагрузке оказывается почти в 2 раза больше, чем в режиме согласованного включения.

Чувствительность микрофона — это отношение напряжения V на выходе микрофона к воздействующему на него звуковому давлению выраженное в милливольтах на паскаль

Различают следующие виды чувствительности микрофона; осевая (по фронту) и по различным направлениям (чаще всего по тылу); по свободному и по диффузному полю; на номинальной согласованной нагрузке и на холостом ходу. В паспорте обычно приводится осевая чувствительность, измеренная в свободном поле при работе на согласованную нагрузку.

Осевая чувствительность микрофона определяется при воздействии на него звукового давления вдоль оси по фррнту, т. е. под углом 0°.

Чувствительность по свободному полю определяют при воздействии на микрофон звукового давления в свободном поле, когда напряжение на выходе микрофона относят к звуковому давлению в точке поля до размещения в ней микрофона;

Чувствительность по диффузному определяют при воздействии на микрофон звукового давления в диффузном поле, причем напряжение на выходе микрофона относят к звуковому давлению в точке до размещения в ней микрофона:

При этом свободным полем называют такое поле, в котором преобладает прямая звуковая волна, а влияние отраженных звуковых волн пренебрежимо мало. Диффузное поле — это однородное и изотропное поле, т. е. такое поле, в каждой точке которого одинакова плотность звуковой энергии (однородное поле) и в котором по всем направлениям распространяются одинаковые потоки звуковой энергии (изотропное поле).

Чувствительность микрофона зависит от частоты. Поэтому введено понятие средней чувствительности — среднеквадрэтическое значение в номинальном диапазоне частот, причем усредняют чувствительность, измеренную на частотах из предпочтительного октавного частот: 31,5; 63; 125; Гц.

Уровень чувствительности — чуствительность, выраженная в децибелах относительно величины и определяемая по формуле:

где чувствительность микрофона,

Стандартный уровень чувствительности — выраженное в децибелах отношение напряжения развиваемого на номинальном сопротивлении нагрузки при звуковом давлении к напряжению, соответствующему мощности т. е. уровень мощности, отдаваемой микрофоном в номинальную нагрузку Яном при давлении Па:

В качестве примера определим стандартный уровень чувствительности микрофона на номинальной нагрузке Яном Ом, если его чувствительность

Стандартный уровень чувствительности можно определить также по графикам, приведенным на рис. 5.1. Для этого необходимо восстановить ординату из точки на оси абсцисс, соответствующей чувствительности до пересечения с прямой, обозначенной через Ом, и. на оси ординат отсчитать стандартный уровень чувствительности —

Рис. 5.1. Зависимость стандартного уровня от чувствительности

При определении чувствительности по прежнему обозначению через уровень составил бы

Осевая чувствительность по свободному полю конденсаторных микрофонов профессионального назначения нулевой и первой групп сложности при модуле полного электрического сопротивления 200 Ом должна быть не менее динамических микрофонов первой группы сложности Отклонение чувствительности на частоте от минимального значения, указанного в технических условиях для конкретного типа микрофона, не должно превышать для микрофонов нулевой группы сложности и для микрофонов первой и второй групп сложности.

Неравномерность частотной характеристики определяется как разность между максимальным и минимальным уровнями чувствительности микрофона в номинальном диапазоне частот и выражается в децибелах:

На рис. 5.2 приведены допусковые области типовых частотных характеристик чувствительности микрофонов по свободному полю в соответствии с Типовые частотные характеристики должны находиться в пределах допусковых областей микрофонов нулевой (рис. 5.2, а), первой (рис. 5.2, б), второй (рис. 5.2, в) и третьей (рис. 5.2, г) групп сложности. При этом непрерывными линиями обозначены допуски для односторонне-направленных микрофонов, а штриховыми — для ненаправленных микрофонов. Крутизна наклона линий, пересекающихся на частоте должна составлять на октаву. Крутизна типовой частотной характеристики чувствительности в рабочем диапазоне частот допускается не более на октаву. Отклонение формы частотной характеристики от типовой не должно превышать для микрофонов нулевой группы сложности. первой группы, второй и третьей групп,

Рис. 5.2. Допусковые области типовых частотных характеристик

Характеристика направленности зависимость чувствительности микрофона в свободном поле на определенной частоте (или в полосе частот среднегеометрической частотой от угла между рабочей осью микрофона и направлением на источник звука. Обычно приводят нормированную характеристику направленности, т. е. зависимость отношения чувствительности измеренной под углом , к осевой чувствительности т. е.

В случае определения характеристики направленности в децибелах приводят нормированную характеристику направленности, выраженную в децибелах, как разность между уровнем осевой чувствительности микрофона т. е.

Рис. 5.3. Типовые диаграммы направленности микрофонов

Диаграмма направленности — это графическое изображение характеристики направленности, которое чаще всего приводят в полярных коордицатах.

В качестве примера на рис. 5.3 приведены три наиболее часто встречающиеся диаграммы направленности микрофонов: а — круговая, косинусоидальная, в — кардиоидная.

Перепад чувствительности нормируется для случаев (т. е. фронт-тыл) и Для ненаправленных микрофонов перепад чувствительности микрофонов по свободному полю при углах приема и 90° должен быть не более на частотах до не более на частотах и не более на частотах Для односторонненаправленных микрофонов перепад чувствительности в диапазоне частот Гц должен укладываться в пределы Перепад чувствительности фронт-тыл для односторонненаправленных микрофонов нулевой группы сложности на частотах Гц должен быть не менее в том числе при кардиоидной характеристике — не менее

Направленные свойства микрофона оценивают также с помощью коэффициента направленности. Коэффициент направленности — отношение квадрата чувствительности микрофона в свободном поле в направлении рабочей оси к среднему по всем направлениям квадрату чувствительности на частотах или в полосе частот среднегеометрической частотой

Это отношение, выраженное в децибелах, называется индексом направленности:

Коэффициент гармоник микрофонов обычно не нормируют и не измеряют, так как он небольшой (менее при воздействии уровней звукового давледия до Вместо этого нормируют уровень предельного звукового давления в диапазоне частот Гц, при котором коэффициент гармоник не превышает определенного значения. Так, у микрофонов профессионального назначения высшей категории качества нулевой группы сложности уровень предельного звукового давления при коэффициенте гармоник может достигать первой и второй группы сложности — микрофонов бытового назначения —

Динамический диапазон микрофона — разность между уровнем предельного звукового давления и уровнем собственных шумов

Уровень собственных шумов появляется на выходе микрофона в отсутствие какого-либо акустического сигнала на его мембране. Напряжение шумов является следствием флуктуаций частиц в окружающей среде, а также тепловых шумов резисторов и усилительных

элементов электрической части микрофона. Уровень собственного шума микрофона, приведенный к его акустическому входу, определяют как уровень эквивалентного звукового давления при воздействии которого на микрофон получилось бы то же выходное напряжение, которое получается за счет тепловых шумов в отсутствие полезного сигнала:

где .

Уровень эквивалентного звукового давления, обусловленный собственным шумом микрофона относительно давления Па, измеренный по кривой не должен превышать для профессиональных микрофонов нулевой и первой групп сложности и для бытовых микрофонов.

Для стереофонических микрофонов дополнительно нормируют разность уровней чувствительности по свободному полю стереосистемы в диапазоне частот Гц. Для стереофонических микрофонов нулевой группы сложности разность не должна превышать для остальных групп сложности — не более

Нормируемые в основные электроакустические параметры микрофонов приведены в табл. 5.1.

Наименование микрофона должно содержать:

- слово «Микрофон»;

- условное обозначение, состоящее из букв: микрофон динамический катушечный; микрофон динамический ленточный; микрофон конденсаторный; микрофон конденсаторный электретный; цифрового индекса, первая цифра которого обозначает группу сложности (требование введено с 01.01.88 г.), а последующие цифры — порядковый номер разработки модели, в зависимости от вариантов конструкции микрофона; к цифровому индексу может быть добавлен буквенный индекс А, Б, В, Г включительно и С — стереофонический микрофон.

Примеры наименования микрофонов:

МД-281 - динамический микрофон второй группы сложности с порядковым номером разработки 81;

МД-281 А — тот же микрофон с усовершенствованной конструкцией;

МК-021С - стереофонический конденсаторный микрофон нулевой группы сложности с порядковым номером разработки 21;

МКЭ-156 - конденсаторный электретный микрофон первой группы сложности с порядковым номером разработки 56.