MIKROFONY Mikrofon jest to przetwornik elektroakustyczny przetwarzający energię fali dźwiękowej na energię elektryczną.

Transkrypt

1 MIKROFONY Mikrofon jest to przetwornik elektroakustyczny przetwarzający energię fali dźwiękowej na energię elektryczną. 1. Podstawowe parametry mikrofonów Podstawowe właściwości elektroakustyczne mikrofonów, a zarazem ich jakość określone są przez następujące parametry: 1) skuteczność, 2) charakterystyka częstotliwościowa, 3) charakterystyka kierunkowa, 4) dynamika 5) moduł impedancji znamionowej, 6) wrażliwość na magnetyczne lub elektryczne pola zakłócające. 1

2 ad 1) Skuteczność mikrofonu w jest to stosunek wartości napięcia na wyjściu nieobciążonego mikrofonu do wartości ciśnienia akustycznego fali w miejscu ustawienia mikrofonu przy określonej częstotliwości i kącie padania fali (zwykle 1000 Hz prostopadle do osi). M = U p gdzie: M - skuteczność mikrofonu [V/Pa] lub [mv/pa] (rzadziej w V m 2 /N) U - wartość skuteczna napięcia mikrofonu [V] lub [mv] p - wartość ciśnienia akustycznego [Pa]. Czasami określa się poziom skuteczności w db w stosunku do poziomu 1 V/Pa. Pomiar skuteczności wykonuje się w komorze bezechowej umieszczając mikrofon w odległości 1 m od źródła dźwięku na osi geometrycznej mikrofonu. Ciśnienie akustyczne w miejscu umieszczenia mikrofonu powinno być stałe i wynosić 0,2 Pa ± 0,5 db. ad 2) Charakterystyka częstotliwościowa jest to wykres skuteczności mikrofonu w funkcji częstotliwości, zwykle określana jako tzw. pasmo przenoszenia mikrofonu. Zależy od budowy mikrofonu, materiału z jakiego wykonano membranę i jakości wykonania. Typowy wykres charakterystyki częstotliwościowej wygląda jak na rys.: 2

3 M [mv/pa] 0dB -3dB f d f g ad 3) Charakterystyka kierunkowa określa zmiany skuteczności w funkcji kąta, pod jakim pada fala dźwiękowa w stosunku do osi mikrofonu dla określonej częstotliwości, zwykle dla 1000 Hz (rysunek). f α Badanie charakterystyk kierunkowych przeprowadza się obracając mikrofon wokół osi prostopadłej do osi symetrii mikrofonu przechodzącej przez środek głównego wejścia mikrofonu dla różnych częstotliwości. Ze względu na różne reagowanie mikrofonów na kierunek padania na nie fali dźwiękowej mikrofony dzieli się na: a) wszechkierunkowe (tzw. kulowe, bezkierunkowe, dookólne), b) dwukierunkowe (ósemkowe), c) jednokierunkowe (kardioidalne, nerkowe i inne). ad a) Mikrofony wszechkierunkowe wykazują jednakową skuteczność bez 3

4 względu na kierunek padania fal dźwiękowych (typowe tzw. sitko). Zalety: mniejsza wrażliwość na odgłosy oddechu i wstrząsy mechaniczne wady: wrażliwość na zjawiska pogłosowe w pomieszczeniach. ad b) Mikrofony dwukierunkowe są wrażliwe na falę dźwiękową z przodu i z tyłu mikrofonu, najczęściej posiadają charakterystykę ósemkową. Zaleta: tłumi dźwięki dochodzące z boku. Charakterystyka mikrofonu dwukierunkowego może wyglądać jak na rysunku: ad c) Mikrofony jednokierunkowe mają największą skuteczność dla fal biegnących w kierunku membrany wzdłuż osi mikrofonu. Efekt ten uzyskano wprowadzając niewielki, precyzyjnie usytuowany otwór w tylnej ściance obudowy mikrofonu (powoduje zanik różnicy ciśnień dla innych kierunków). Odmianą mikrofonów jednokierunkowych są tzw. mikrofony interferencyjne. Mikrofony interferencyjne są mikrofonami wybitnie kierunkowymi. Przeznaczone są do odbioru dźwięków pochodzących z odległych źródeł. Stosowane są głównie w filmie i w telewizji, ale mogą być przydatne do podsłuchu rozmowy między sędzią piłkarskim a zawodnikami na środku stadionu (powiedzieć o przyczynach likwidacji tego efektu w polskich meczach). 4

5 Mikrofony tego typu wykorzystują przysłonę akustyczną w postaci długiej rury (o długości do 1 m), wzdłuż której znajdują się otwory z odpowiednio dobranymi filtrami akustycznymi. Fale dźwiękowe nie padające wzdłuż osi rury ulegają silnemu tłumieniu (rysunek). Według doniesień telewizyjnych naukowcy japońscy skonstruowali mikrofon jednokierunkowy, którym z odległości 250m i wysokości 6 piętra udało się wydzielić głos pojedynczego człowieka z rozentuzjazmowanego tłumu w czasie demonstracji. Wadami mikrofonów interferencyjnych są duże wymiary oraz znaczne różnice charakterystyki częstotliwościowej zależnej od kierunku padania fali dźwiękowej. Ta ostatnia wada jest w niektórych przypadkach zaletą, gdyż dokładne ustawienie mikrofonu np. na podsłuchiwany obiekt przez policję może być uzyskane przez odsłuch sygnału na słuchawkach. Mikrofony kierunkowe mogą być wykonane jako mikrofony o stałej charakterystyce kierunkowości (kołowej, ósemkowej, kardioidalnej ) lub jako mikrofony o kilku charakterystykach przełączalnych w sposób ciągły lub skokowo. Mikrofon wszechkierunkowy ma jednakową skuteczność dla wszystkich kierunków padania fali dźwiękowej. ad 4) otwory filtruj¹ce Dynamika jest to stosunek maksymalnego ciśnienia akustycznego, nie powodującego jeszcze zniekształceń nieliniowych sygnału 5

6 wyjściowego o określonej wartości do poziomu ciśnienia akustycznego równoważnego szumom własnym mikrofonu. Istotny tu jest dodatkowy typowy parametr - zniekształcenia nieliniowe mikrofonu, które zwykle mieszczą się w przedziale 0,2 % 1 %. ad 5) Moduł impedancji znamionowej jest to wartość impedancji mierzona na końcówkach wyjściowych mikrofonu umieszczonego w polu akustycznym swobodnym, przy ciśnieniu akustycznym 0,2 Pa i częstotliwości 1000 Hz. Mierzy się na zaciskach napięcie stanu jałowego (bez obciążenia), a następnie wyznacza wartość rezystancji obciążającej mikrofon, przy której napięcie wyjściowe jest równe połowie napięcia stanu jałowego. Wartość ta jest przydatna przy obliczaniu dopasowania mikrofonu do układu. ad 6) Wrażliwość mikrofonu na magnetyczne pole zakłócające (w mv/ A/m) określa się stosunkiem napięcia na nieobciążonym wyjściu mikrofonu umieszczonego w jednorodnym polu magnetycznym zakłócającym o wartości 4 A/m. W celu pomiaru mikrofon umieszcza się w środku cewki zasilanej napięciem zmiennym o częstotliwości 50 Hz. Wrażliwość mikrofonu na elektryczne pole zakłócające (w mv/v) określa się przez pomiar napięcia na wyjściu nieobciążonego mikrofonu wewnątrz metalowego walca, do którego przyłączono napięcie 300 V o częstotliwości 50 Hz. W zależności od tego, czy jedna czy obie strony membrany są aktywne, mikrofony dzielimy na: 6

7 1) mikrofony ciśnieniowe 2) mikrofony gradientowe 3) mikrofony ciśnieniowo-gradientowe. ad 1) W mikrofonach ciśnieniowych drgania przetwornika następują wskutek działania ciśnienia akustycznego na jedną stronę membrany. Tył membrany jest zamknięty całkowicie w sztywnej obudowie. Wady: - kierunkowość zależy od częstotliwości sygnału, - zakłóca falę dźwiękową. ad 2) W mikrofonach gradientowych drgania przetwornika następują wskutek działania różnicy ciśnień akustycznych po obu stronach membrany. Membrana jest otwarta z obu stron na działanie fali dźwiękowej. Są to mikrofony o typowej charakterystyce ósemkowej. Wada: - nieliniowa charakterystyka częstotliwościowa, wymagająca korekcji. ad 3) W mikrofonach ciśnieniowo-gradientowych drgania membrany następują przez jednoczesne działanie obu tych czynników. Łączą cechy obu poprzednich rodzajów. 7

8 2. Budowa mikrofonów Pod względem budowy i zasady działania mikrofony dzieli się na: 1) węglowe 2) magnetoelektryczne (dynamiczne), 3) piezoelektryczne, 4) pojemnościowe, 5) elektretowe. ad 1) Działanie mikrofonu węglowego jest oparte na zmianach rezystancji proszku węglowego pod wpływem ucisku wywieranego przez membranę (rysunek). membrana elektroda stała p foniczny proszek węglowy sygnał wyjściowy + - Przez komorę z proszkiem węglowym i uzwojenie pierwotne transformatora jest przepuszczany prąd stały z pomocniczego źródła. Pod wpływem zmian ciśnienia wywołanych falą akustyczną membrana naciska na proszek, zgniatając go. Wskutek zmian rezystancji proszku węglowego wartość prądu ulega wahaniu w takt drgań membrany. W uzwojeniu wtórnym transformatora występuje zmienne napięcie - sygnał foniczny. 8

9 Mikrofony węglowe są stosunkowo odporne mechanicznie, wyróżniają się dużą skutecznością [1 V/Pa] i mogą mieć (zależnie od wykonania) impedancję rzędu kilkuset omów, dzięki czemu można je dołączyć bezpośrednio, bez wzmacniaczy; do przewodów. Z tych względów znajdują powszechne zastosowanie w urządzeniach telefonicznych (tzw. telefoniczne wkładki mikrofonowe). Ze względu na duży poziom szumów, spiekanie się proszków węglowych i niestabilność pracy nie są dzisiaj używane w torach fonicznych wysokiej jakości. ad 2) W mikrofonach dynamicznych elementem przetwarzającym jest cewka przymocowana do membrany lub metalowa wstążka, która jest jednocześnie membraną. Każda z nich porusza się w polu magnesu stałego (rysunek). 9

10 Działanie mikrofonów dynamicznych jest oparte na znanej z fizyki zasadzie, że w przewodzie elektrycznym poruszającym się w polu magnesu stałego prostopadle do strumienia magnetycznego indukuje się siła elektromotoryczna. Siła ta jest wprost proporcjonalna do prędkości przemieszczania się tego przewodu, czyli w przypadku mikrofonu szybkości drgań membrany. W wypadku membrany z cewką, siła elektromotoryczna wytwarzana jest na końcach cewki, w mikrofonie z wstążką jest ona membraną i uzwojeniem indukującym. ad 3) Mikrofony piezoelektryczne często są nazywane krystaliczne lub ceramiczne, ponieważ wykorzystuje się w nich właściwości niektórych kryształów lub materiałów ceramicznych. Membrana mikrofonu krystalicznego lub ceramicznego jest przymocowana do materiału o właściwościach piezoelektrycznych, który przy odkształceniu wytwarza na wyjściu napięcie elektryczne. Materiałem takim może być np. kryształ winianu sodowo-potasowego, czyli tzw. sól Rochelle'a oraz różne materiały ceramiczne (rysunek). 10

11 Ponieważ właściwości materiałów piezoelektrycznych zależą od temperatury i wilgotności, ich zastosowanie ogranicza się do tanich urządzeń powszechnego użytku. ad 3) Mikrofon pojemnościowy jest w istocie kondensatorem o specjalnej budowie, składającym się z dwóch okładzin. Jedna z okładzin kondensatora jest nieruchoma, natomiast drugą stanowi napięta membrana wykonana z materiału nieprzewodzącego, najczęściej z tworzywa, pokryta cienką warstwą złota. Tak wykonany kondensator o niewielkiej pojemności, rzędu 100 pf, stanowi serce mikrofonu pojemnościowego. Podczas drgań wywołanych falą akustyczną, membrana zbliżając się i oddalając od elektrody stałej zmienia pojemność utworzonego kondensatora o wartość ± C, odpowiadającą zmianom ciśnienia akustycznego. Wartość ta jest przetwarzana na odpowiadający jej sygnał elektryczny. Stosuje się trzy metody przetwarzania zmiany pojemności na sygnał foniczny: a) praca z polaryzacją zewnętrzną, b) praca z polaryzacją wewnętrzną, c) praca z układem w.cz. ad a) Polaryzacja zewnętrzna polega na przyłączeniu do kondensatora mikrofonu napięcia stałego, poprzez rezystor o dużej wartości, rzędu 100 MΩ i dzięki temu wprowadzenie do niego ładunku (rysunek). 11

12 Ponieważ zmiana pojemności kondensatora przy stałym ładunku spowoduje zmianę napięcia zgodnie z zależnością: C=Q/U czyli : Q = (U 0 ± U) x (C 0 + C ) Zmiany napięcia, będące elektrycznym odzwierciedleniem sygnału akustycznego, są wzmacniane w dalszych częściach toru. Z uwagi na bardzo dużą rezystancję wyjściową przetwornika, sygnał nie może być przesyłany kablem, lecz musi być zastosowany specjalny wzmacniacz pełniący funkcję transformatora impedancji. ad b) W mikrofonach z polaryzacją wewnętrzną (rysunek) membrana jest wytworzona z folii poliestrowej, metalizowanej z jednej strony i trwale spolaryzowanej elektrycznie; jest to tzw. elektret. 12

13 Działanie mikrofonu jest identyczne jak mikrofonu z polaryzacją zewnętrzną. Drgania membrany powodują zmiany pojemności, a co za tym idzie, zmiany napięcia na okładkach kondensatora. Podobnie jak poprzednio, z uwagi na bardzo dużą rezystancję wyjściową przetwornika elektretowego, konieczne jest zastosowanie transformatora impedancji. Kondensator mikrofonu pojemnościowego, zwany również wkładką mikrofonu pojemnościowego, stanowi źródło napięciowe o dużej impedancji wewnętrznej o charakterze pojemnościowym. Duża impedancja wkładki powoduje, że nie można dołączyć do niej bezpośrednio przewodu mikrofonowego. Dlatego do wkładki mikrofonu pojemnościowego jest zwykle przybudowany wzmacniacz przymikrofonowy (rysunek). 13

14 Zadaniem tego wzmacniacza jest transformacja dużej impedancji wkładki na małą impedancję wyjściową mikrofonu. Dlatego mówiąc o mikrofonie pojemnościowym mamy zwykle na myśli całość, to znaczy wkładkę pojemnościową wraz ze wzmacniaczem. Z uwagi na prostą konstrukcję ten typ mikrofonów pojemnościowych rozpowszechniony jest najbardziej. ad c) Współpraca mikrofonu pojemnościowego z układem w.cz. polega na przestrajaniu obwodu rezonansowego przez pojemność mikrofonu o zmiennej wartości, stanowiącą część składową generatora w.cz. Przebieg w.cz. generatora jest zmodulowany sygnałem fonicznym odzyskiwanym po demodulacji (rysunek). 14

15 Współczesne mikrofony pojemnościowe typu elektretowego cechuje odporność mechaniczna porównywalna z mikrofonami dynamicznymi. Są to jednocześnie mikrofony przenoszące najszersze pasmo częstotliwości i z najbardziej wyrównaną charakterystyką fazową. Pewnym problemem jest konieczność dostarczania do mikrofonu pojemnościowego napięcia zasilającego. Sprawa ta jest rozwiązywana w różny sposób, najczęściej za pomocą zasilania typu phantom (rysunek). 15

16 Kłopoty z zasilaniem oraz niewygoda związana z plączącymi się kablami skłoniły producentów do konstrukcji mikrofonów bezprzewodowych, z wykorzystaniem nadajników i odbiorników UKF. Trudności techniczne polegały na konieczności osiągnięcia małych rozmiarów i małej masy urządzenia nadawczego przy takich samych parametrach co mikrofony kablowe. Nadajnik radiowy wewnątrz mikrofonu promieniuje moc rzędu 1-50mW. Do zasilania stosowane są lekkie baterie, których pojemność wystarcza na kilka godzin pracy. Częstotliwość takiego mikrofonu musi być uzgodniona z Polską Agencją Radiową ( najczęściej w granicach MHz). Wykonywane są w dwóch wersjach: - handheld - do trzymania w ręku - bodypack transmitter - noszony w kieszeni lub przy pasku, a przy dużej miniaturyzacji nawet w klapie czy spince od krawata. Największy problem, jaki występuje przy stosowaniu tych mikrofonów to zaniki sygnału spowodowane interferencjami z falami odbitymi i ekranowaniem przez różne obiekty, a także rosnący coraz bardziej poziom zakłóceń w eterze. Aby rozwiązać te problemy, stosuje się trzy podstawowe metody: - realizację odbioru przestrzennie zbiorczego, tzw. diversity, czyli odbiór zbiorczy dwuantenowy, - wykorzystywanie wyższych zakresów częstotliwości nośnych UHF; - wprowadzania systemu kompanderyzacji, czyli kompresji przed transmisją oraz ekspansji po odbiorze. 16

17 Rodzaje mikrofonów pod względem zastosowania Różnorodność warunków, w jakich pracują mikrofony, powoduje, że duże znaczenie ma dobór mikrofonów pod względem konstrukcji, wielkości, masy, parametrów itp. Podstawowe rodzaje mikrofonów pod względem zastosowania: 1). Mikrofony studyjne - najszersze pasmo przenoszenia, najmniejsze szumy, największa wierność odtwarzanego dźwięku. Głównie są to wysokiej klasy mikrofony pojemnościowe o przełączanej kierunkowości (kulista, kardioidalna, superkardioidalna, hiperkardioidalna, maczugowata, ósemkowa itp.).posiadają dodatkowe przełączane filtry. 2). Mikrofony dla solistów muzyki klasycznej - uniwersalne pojemnościowe mikrofony studyjne lub bardzo dobre mikrofony dynamiczne. 3). Mikrofony dla wokalistów estradowych - specjalna grupa mikrofonów dynamicznych (ostatnio również pojemnościowych), elastycznie zamocowanych w obudowie, odpornej na wstrząsy i uderzenia, osłona z odpowiedniej siatki eliminująca podmuchy przy zbliżaniu mikrofonu do ust, podniesiona charakterystyka w zakresie 1 5 khz, wyłącznik, korektor basów, estetyczny wygląd; specjalną odmianę stanowią mikrofony nagłowne przeznaczone np. dla gitarzystów, często sprzężone ze słuchawkami ( pokazać ten z bateriami). 17

18 4). Mikrofony dla konferansjerów i dziennikarzy - dynamiczne lub pojemnościowe mikrofony małych rozmiarów, przystosowane do zawieszenia na szyi lub wpięcia w klapę marynarki ( niektóre są tak małe, że niewidoczne dla widzów). 5). Estradowe mikrofony instrumentalne - pojemnościowe lub elektretowe, mocowane przy instrumencie (np. u wylotu trąbki lub na gryfie skrzypiec ) 6). Mikrofony do bębnów i kotłów - muszą znosić b. duże ciśnienie akustyczne i przenoszą najniższe tony Hz. 7). Mikrofony do magnetofonów kasetowych i reporterskich oraz do głośno mówiących aparatów telefonicznych i innych podobnych urządzeń - głównie pojemnościowe (pokazać), o małych wymiarach, dużej czułości i stosunkowo wąskim paśmie przenoszenia (200Hz do 7-10kHz) aby maksymalnie zwiększyć zrozumiałość mowy i ograniczyć zniekształcenia i zakłócenia. 8). Mikrofony płaszczyzny ograniczającej - bardzo profesjonalne, o specjalnej konstrukcji, umieszczane w pobliżu ściany lub podłogi studia czy sali koncertowej - stosuje się do konkretnych celów indywidualnie, np. do odbierania dźwięków z sali (oklaski, głosy publiczności, śmiechy). 18