5.2. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МИКРОФОНОВ

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

Рис. 5.4. Зависимость коэффициента дифракции от частоты

Свойства акустико-механический 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).

При действии акустических колебаний только на одну сторону диафрагмы, т. е. на микрофон давления, результирующая сила, действующая на нее, где звуковое давление, имевшее место в акустическом поле до внесения в него микрофона; поверхность диафрагмы, на которую действует звуковое давление; коэффициент дифракции, определяемый как отношение звукового давления на поверхности диафрагмы к давлению имевшему место в поле до внесения в него микрофона. На низких частотах, где размеры микрофона малы по сравнению с длиной звуковой волны, и повышается к высоким частотам. На зависимость коэффициента от частоты сильно влияет форма микрофона в целом. Это хорошо иллюстрирует рис. 5.4, на котором приведены выраженные в децибелах зависимости коэффициента дифракции звукового давления на поверхности жесткого цилиндра с высотой, равной его диаметру — (рис. 5.4, а), куба (рис. 5.4, б) и сферы (рис. 5.4, в). По оси абсцисс здесь отложены: отношение диаметра цилиндра или сферы к длине волны или отношение длины ребра куба и длине волны. Параметр Ф

(см. скан)

семейства кривых — это угол между осью цилиндра (куба; сферы) и направлением прихода звука.

Следует заметить, что кроме формы микрофона на коэффициент дифракции влияет также акустико-механическое сопротивление микрофона и даже его стенок.

Кривые рис. 5.4 дают приближенное представление о частотной зависимости коэффициента дифракции от внешней формы микрофона. По этим кривым можно определить повышение уровня звукового давления на поверхности жестких тел рассмотренных форм.

Пример. Пусть желательно найти повышение уровня звукового давления у основания цилиндрического кожуха микрофона, у которого при падении на него звуковой волны частотой 2750 Гц под углом к оси цилиндра. Длина волны в воздухе для этой частоты Отсюда находим, что Восстанавливая ординату из точки на оси абсцисс, соответствующей этой величине, до пересечения с кривой, имеющей отметку на графике для цилиндра, отсчитываем на оси ординат что приблизительно и является искомой величиной повышения уровня.

Давление, действующее на диафрагму, изменяется по сравнению с давлением в свободной волне не только из-за дифрации, но и из-за резонирующего действия углубления перед диафрагмой, образующегося у многих типов микрофонов вследствие применения колец для крепления диафрагмы к основной конструкции микрофона. Увеличение давления на диафрагме вследствие действия углубления может быть определено с помощью кривых рис. 5.5.

Пример. Пусть требуется найти увеличение давления на дне углубления диаметром и глубиной на частоте Гц. Параметр будет равен Длина волны на этой частоте составляет Отсюда Восстанавливая ординату из точки на оси абсцисс, составляющей до пересечения с кривой, имеющей отметку отсчитываем на оси 1,6, т. е. на две углубления давление будет в 1,6 раза больше (на выше), чем в свободной звуковой волне.

Если звуковое давление действует симметрично на обе стороны диафрагмы микрофона (микрофон градиента давления), малого по размерам по сравнению с длиной падающей на него плоской волны, то сила, действующая на диафрагму:

где с — скорость звука в воздухе при разность хода звука между обеими сторонами диафрагмы; угол между рабочей Осью микрофона и направлением прихода звука (рис. 5.6).

Для низких частот, где сила При осевом падение звука

Рис. 5.5. Зависимость коэффициента дифракции от коэффициента

Таким отразом, сила в микрофонах градиента Давления частотно-зависима. На низких частотах эта зависимость линейна, на высоких — приблизительно синусоидальна. Кроме того, на высоких частотах, где размеры микрофона становятся сравнимыми с длиной волны, начийают сказываться частотно-зависимые явления дифракции.

Приведенные выражения для силы, действующей на открытую воздействию звукового давления с обеих сторон диафрагму, действительны при нахождении ее в поле плоской волны. При нахождении же ее в поле сферической волны, т. е. вблизи источника, последнее выражение для силы приобретает вид

Где расстояние от источника до плоскости диафрагмы. При выражение совпадает с предыдущим. При сила т. е. сила становится частотно-независимой. Это явление может дать как отрицательный, так и положительный эффект. Так, если микрофон (например, ленточный), на диафрагму которого звуковое давлецие действует с обеих сторон, помещается вблизи источника, то, как видно из приведенных формул, на высоких частотах он может находиться еще в поле плоской волны и сила, действующая на него, будет пропорциональна частоте. На низких же частотах эта сила увеличивается по абсолютной величине и может стать даже частотно-независимой. Поэтому

Рис. 5.6. К определению разности хода звуковых волн

микрофон будет подчеркивать низкие частоты, «бубнить».

С другой стороны, если такой микрофон рассчитан на работу вблизи полезного источника, то силы, обусловленные звуковым давлением той же величины от дальних источников (помех), будут меньше и, следовательно, микрофон будет менее чувствительным по отношению к ним, т. е. шумозащищенным, особенно на низких частотах.

Пример. Пусть требуется найти, во сколько раз сила, действующая на диафрагму микрофона градиента давления, разность хода между сторонами которой составляет больше силы, действующей на такую же диафрагму микрофона давления на частоте 500 Гц, если источник находится на расстоянии от микрофона.

На рис. 5.7 восстанавливаем ординату из точки на оси абсцисс, соответствующей Гц, до пересечения с кривой, имеющей отметку 30 см, отсчитываем на оси ординат 0,095. Отсюда отношение сил будет Следовательно, сила, действующая на диафрагму микрофона градиента давления, будет составлять 0,19 силы, действующей на такую же диафрагму микрофона давления.

Коэффициент на рис. 5.7 соответствует отношению разности давления, действующего на обе стороны диафрагмы, к давлению в свободном поле. Параметр кривых расстояние от источника до плоскости диафрагмы. Кривые построены для разности хода между обеими сторонами диафрагмы, равной 1 см. Для другой разности хода следует умножить на ее значение величину, полученную из графика. Изменением конструкции микрофонов, в которых звуковое давление действует несимметрично на обе стороны диафрагмы, можно получить разнообразные формы характеристик направленности и добиваться их меньшей зависимости от частоты.

Большое влияние на характеристики микрофона оказывает его механоэлектрическая часть. В зависимости от принципа преобразования механических колебаний в электрические микрофоны делятся на электродинамические (катушечные и ленточные), конденсаторные (в том числе электретные), электромагнитные, пьезоэлектрические, угольные, транзисторные.

Рис. 5.7. Зависимость коэффициента от частоты

В электродинамических и электромагнитных микрофонах выходное электрическое напряжение пропорционально скорости колебаний подвижной системы, а в микрофонах остальных типов — пропорционально колебательному смещению.

Первым получил распространение угольный микрофон, который и до сих пор используют в телефонии. В первые годы радиовещания специальные конструкции угольных микрофонов использовались и в этой области. Действие угольного микрофона основывается на изменении сопротивления между зернами угольного порошка при изменении давления на их совокупность.

Угольный микрофон (рис. 5.8; 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 то на зажимах его вторичной обмотки будет возникать переменное напряжение, форма кривой которого будет отображать форму кривой звукового давления, воздействующего на диафрагму угольного микрофона. Выходное напряжение микрофона

где F - действующая на диафрагму микрофона результирующая сила звукового давления; приложенное к микрофону постоянное напряжение; коэффициент модуляции, внутреннее сопротивление микрофона; — сопротивление его нагрузки; коэффициент трансформации; смещение диафрагмы микрофона; механическое сопротивление акустико-механической системы микрофона; отношение коэффициента модуляции к величине смещения диафрагмы 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 (что само по себе является процессом прерывным), большая Неравномерность частотной характеристики и значительные нелинейные искажения. Эти недостатки угольного микрофона привели к тому, что всюду, где требуется высокое качество преобразования, например в радиовещании, при звукозаписи и измерениях, его уже давно не применяют.

Рис. 5.8. Устройство микрофонов: а — угольного; б - электромагнитного; в — электродинамического; г - ленточного; д - конденсаторного: е - пьезоэлектрического

После угольного микрофона появился электромагнитный микрофон, который работает следующим образом (рис. 5.8, 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, величина которого

Здесь, помимо введенных выше обозначений, магнитный поток, исходящий из полюса магнитной ситемы; зазор между полюсом и якорем; колебательная частота диафрагмы (якоря); число витков обмотки; внутреннее электрическое сопротивление микрофона.

Электромагнитный микрофон стабилен в работе. Однако ему свойственны узкий частотный диапазон, большая неравномерность частотной характеристики и значительные нелинейные искажения. Этим и объясняется то, что область применения электромагнитного микрофона очень узкая.

Следует отметить, что с целью повышения разборчивости речи в трактах, через которые она передается и где больше всего применяют электромагнитный микрофон, его частотную характеристику стремятся иметь с подъемом к высоким частотам с крутизной на октаву. Это делают для компенсации снижения спектра речи на частотах свыше 400 Гц.

В противоположность электромагнитному микрофому чрезвычайно широкое распространение для целей озвучения, звукоусиления, а раньше и звукозаписи и радиовещания по, лучил электродинамический микрофон в своих двух модификациях — катушечной и ленточной.

Принцип действия электродинамического катушечного микрофона состоит в следующем (рис. 5.8, 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. Его величина выражается как

Здесь помимо введенных выше обозначений, В — индукция в зазоре магнитной системы; длина проводника обмотки подвижной катушки.

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

Устройство ленточного электродинамического микрофона несколько отличается от устройства катушечной модификации (рис. 5.8, г). Здесь магнитная система микрофона состоит из постоянного магнита 1 и полюсных наконечников 2, между которыми натянута легкая, обычно алюминиевая, тонкая (порядка ленточка 3. При воздействии на обе ее стороны звукового даления возникает сила, под действием которой ленточка начинает колебаться, пересекая при этом магнитные силовые линии, вследствие чего на ее концах развивается напряжение.

Так как сопротивление ленточки очень мало, то для уменьшения падения напряжения на соединительных проводниках напряжение, развиваемое на концах ленточки, подается на первичную обмотку повышающего трансформатора, размещаемого в непосредственной близости от ленточки. Напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора является выходным напряжением микрофона. Выражение для него не отличается от выражения для выходного напряжения катушечного микрофона. Частотный диапазон этого микрофона довольно широк, а неравномерность частотной характеристики невелика.

Для электроакустических трактов высокого качества наибольшее распространение в настоящее время получил конденсаторный (электростатический) микрофон. Принципиально он работает следующим образом (рис. 5.8, д). Жестко натянутая мембрана 1 под воздействием звукового давления ожет колебаться относительно неподвижного электрода 2, являясь вместе с ним обкладками электрического конденсатора. Этот конденсатор включается в электрическую цепь последовательно с источником постоянного тока и активным нагрузочным сопротивленцем 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. Выходное напряжение микрофона

Здесь, помимо введенных выше обозначений, зазор между диафрагмой и неподвижным электродом; — внутреннее емкостное электрическое сопротивление микрофона.

Следует отметить, что нагрузочное сопротивление должно быть большим, чтобы падение напряжения на нем не уменьшалось сильно на низких частотах, где емкостное сопротивление конденсатора (мембрана — неподвижный электрод) очень велико и эксплуатация такого микрофона была бы, по существу, 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 единицы), высокое входное и низкое выходное сопротивления. Значение последнего таково, что позволяет эксплуатировать конденсаторные микрофоны в условиях обычных линий и нагрузок. Поэтому выходным сопротивлением конденсаторного микрофона считают выходное сопротивление его усилителя. Аналогично выходным напряжением конденсаторного микрофона считают выходное напряжение его усилителя.

Кроме описанной выше схемы включения конденсаторного микрофона, так называемой низкочастотной, применяют, хотя и гораздо реже, Так называемую высокочастотную схему, в которой конденсаторный микрофон включают как емкость в электрический колебательный контур высокой частоты, изменяя его резонансную частоту с периодом колебаний, воздействующих на микрофон.

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, на 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. 5.8, 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,

Здесь, помимо введенных выше обозначений, пьезоэлектрический коэффициент.

Перспективы применения пьезоэлектрических микрофонов в последнее время расширились благодаря появлению используемых для диафрагм микрофонов и других преобразователей новых синтетических пленочных материалов, обладающих пьезоэлектрическим эффектом.

Действие транзисторных микрофонов (весьма мало распространенных) основывается на том, что под действием звукового давления на диафрагму скрепленное с ней острие, являющееся одновременно эмиттером полупроводникового триода, изменяет 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 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. 5.9, а). При записи по системе один из микрофонов (микрофон середины имеет круговую характеристику направленности, а другой (микрофон стороны косинусоидальную характеристику направленности (рис, 5.9, б).

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 диапазоне на одной из фиксированных частот, определяемой соответствующим кварцем. Радиоприемник принимает сигнал, преобразует его в низкочастотную область, затем этот сигнал через микшерный пульт подается дальше в тракт и параллельно — на акустический контрольный агрегат для прослушивания. 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 угбльные ларингофоны, а в настоящее время — электромагнитные. Отличие их от соответствующих микрофонов в том, что в них нет диафрагм, на которые воздействуют звуковое давление, а подвижный элемент (якорь) вследствие инерции перемещается относительно корпуса колеблющегося в такт с колебанием гортани, к которой он прилегает.

Из вышеприведенных выражений для чувствительности различных типов микрофонов можно определить, каким параметром должна управляться механоэлектрическая система микрофона, чтобы получить равномерную частотную характеристику по давлению» т. е. без учета влияния дифракции и резонанса углубления перед диафрагмой. Эти требования обобщены в табл. 5.2 для микрофонов давления и в табл. 5.3 для микрофонов градиента давления.

Рис. 5.9. Характеристики направленности стереофонических микрофонов

Существенное влияние на частотную характеристику микрофона оказывает включение его в электрическую цепь. Так, при работе микрофона с емкостным внутренним сопротивлением (конденсаторного, электретного, пьезоэлектрического) на активное сопротивление нагрузки падение напряжения на последнем связано с развиваемой микрофоном, выражением соответствующий спад частотной характеристики на нижних частотах который представлен на рис. 5.10 графически. Коэффициент в виде произведения частоты в герцах, емкости микрофона С в пикофарадах и сопротивления нагрузки в омах показан на рис. 5.10 с учетом множителя

Пример. Пусть требуется узнать, какой должно быть сопротивление нагрузки для конденсаторного микрофона емкостькр чтобы на частоте 35 Гц спад чувствительности по сравнению с высшими частотам не превышал Восстанавливая абсциссу из точки

Таблица 5.2. (см. скан) Требования к микрофонам давления

Таблица 5.3. (см. скан) Требования к микрофонам градиента давления

на оси ординат, соответствующей до пересечения с кривой, отсчитываем на оси абсцисс откуда что и является искомой величиной.

В некоторых случаях, например при приеме речи, получение такого спад? частотной характеристики в области нижних частот желательно. Тогда его осуществляют в конденсаторных микрофонах путем подбора сопротивления нагрузки по приведенной выше формуле и графику. В динамических же микрофонах указанный спад частотной характеристики получают путем шунтирования контуром, образованным параллельным соединением индуктивности и активного сопротивления. Этот шунт отключается, а следовательно, исчезает и спад частотной характеристики в области нижних частот при переходе на прием музыки.

Получающиеся спады на частоте (о для микрофона с внутренним сопротивлением при шунтировании индуктивностью и сопротивлением R

Это соотношение справедливо, когда что на практике имеет место в большинстве случаев.

Рис. 5.10. Зависимость снижения уровня напряжения на нагрузке конденсаторного микрофона от произведения