Mikrofony... czyli jakie wyróżniamy rodzaje i co to takiego...
Definicja mikrofonu Mikrofon przetwornik elektroakustyczny zamieniający energię fali dźwiękowej na energię elektryczną. Zadaniem mikrofonu jest zmiana fal akustycznych na drgania napięcia elektrycznego. Wyróżniamy dwa podstawowe typy mikrofonów: mikrofony dynamiczne i mikrofony pojemnościowe. Są też inne rodzaje mikrofonów, jednak te dwa powinny nas głównie interesować, bo będą najbardziej odpowiednie do nagrywania czy nagłaśniania.
Klasyfikacja mikrofonów - Ze względu na sposób przetwarzania drgańmembrany na sygnał elektryczny - Ze względu na charakter oddziaływania pola dźwiękowego na membranę - Ze względu na zastosowanie Mikrofony możemy podzieli takze na główne typy (z uwagi na ich wewnętrzną budowę): - mikrofony pojemnościowe - mikrofony stykowe (węglowe) - mikrofony magnetyczne (magnetoelektryczne): - wstęgowe - cewkowe
Mikrofon węglowy (stykowy) Wynaleziony w 1878 r. (David Hughes) Zasada działania: zmiana rezystancji proszku węglowego ściskanego przez membranę, drgającą pod wpływem zmiennego ciśnienia padającej fali akustycznej Budowa: 1 membrana 2 proszek węglowy 3 elektroda stała
Mikrofon węglowy (stykowy)
Mikrofon piezoelektryczny Zasada działania: wykorzystywane są właściwości piezoelektryczne niektórych materiałów tj. wytwarzanie napięcia pod wpływem odkształcania mechanicznego (konwersja drgań na napięcie) Cechy: wrażliwość na czynniki atmosferyczne duża impedancja o char. pojemnościowym Zastosowanie: głównie jako przetworniki w instrume- ntach akustycznych
Mikrofon dynamiczny Wynaleziony przez W. C. Wenete'a i A. C. Thurasa z firmy Bell Labs Patent z 1931 roku Ogólna zasada działania: zjawisko indukcji elektromagnetycznej do membrany mikrofonu przymocowana jest cewka umieszczona między biegunami magnesu stałego; drgania membrany powodują ruch cewki w polu magnet, co indukuje prąd
Mikrofon dynamiczny
Mikrofon dynamiczny cewkowy Magnes stały jest elementem nieruchomym Cewka przymocowana jest do ruchomej membrany (przeważnie plastikowej) Taka konstrukcja jest bardziej efektywna
Mikrofon dynamiczny cewkowy Właściwości: kształtowana odpowiedź częstotliwościowa, rezystancja w granicach kilkuset Ω Zalety: odporna konstrukcja, niska cena, dobra kierunkowość, brak dodatkowego zasilania Wady: mało efektywne przenoszenie wysokich częstotliwości, niska skuteczność Przykładowe zastosowanie: nagłośnienie, instrumenty perkusyjne, wokal
Mikrofon dynamiczny wstęgowy Cienka, aluminiowa wstążka osadzona jest między nadbiegunnikami magnesu Jedna strona wstęgi jest wyeksponowana na działanie fal akustycznych Wstęga jest pofałdowana na całej długości Podłączenia są doprowadzone na górze i dole wstęgi W konstrukcji konieczne jest użycie transformatora
Mikrofon dynamiczny wstęgowy Właściwości: poprawiona charakterystyka częstotliwościowa w stosunku do mikrofonów cewkowych Zalety: lepsze przenoszenie wyższych częstotliwości i transientów, naturalne ciepłe brzmienie Wady: wysoka cena, duża podatność na uszkodzenia, konieczność wzmacniania sygnału (szumy) Przykładowe zastosowanie: głównie technika studyjna (nagrania foniczne)
Mikrofon cyfrowy Mikrofon jest z zasady urządzeniem analogowym Zasada działania: sygnał akustyczny na wejściu sygnał cyfrowy na wyjściu Integracja przedwzmacniacza i konwertera A/C oraz umieszczenie ich blisko przetwornika akustycznego Dodatkowo można integrować dodatkowe układy przetwarzające sygnał (efekty) Zastąpienie tranzystorów JFET w układach przedwzmacniaczy układami CMOS
Mikrofon cyfrowy - budowa Główne elementy: analogowa wkładka mikrofonowa, przedwzmacniacz CMOS, przetwornik A/C Dodatkowe elementy: wewnętrzny stabilizator napięcia, układy zegarowe, Wyjściowy sygnał z wkładki mikrofonowej jest sygnałem analogowym. Sygnał ten jest wzmacniany w bloku CMOS, \ako przetwornik A/C stosuje się 1- bitowy modulator ΣΔ z pojedynczą pętlą
Przykład mikrofonu cyfrowego
Mikrofon elektretowy Inna konstrukcja: ang. back-electret Warstwa elektretowa znajduje się nie na membranie, ale na nieruchomym podłożu. Taka konstrukcja jest zbliżona do mikrofonu pojemnościowego Wiele profesjonalnych mikrofonów używa takiej konstrukcji (jak np. firmy B&K) Wady: jeden typ charakterystyki kierunkowej każdej kapsuły, ładunek kapsuły zanika z czasem
Mikrofon optyczny Przykładowe rozwiązanie firmy Sennheiser Fala akustyczna przetwarzana jest na sygnał optyczny zamiast elektrycznego - Technologia nie jest jeszcze obecnie wykorzystywana w studiach nagrań Zalety: małe wymiary, niewrażliwość na zakłócenia elektromagnetyczne, bezstratna transmisja Wady: mniejszy SNR niż typowe mikrofony
Parametry mikrofonów Skuteczność Czułość Charakterystyka kierunkowa Charakterystyka częstotliwościowa Impedancja Odstęp sygnału od szumów (SNR) Maksymalna wartość SPL Szumy własne
Mikrofon cyfrowy Zalety w stosunku do mikrofonu analogowego: Zwiększenie zakresu dynamiki Poprawa liniowości układu Obniżenie poziomu szumu Zmniejszenie poboru mocy Zmniejszenie wrażliwości takiego mikrofonu na sygnały zakłócające: RFI (Radio Frequency Interference) EMI (Electromagnetic Interference)
Szumy własne [db]: napięcie na wyjściu mikrofonu zmierzone w warunkach zupełnej ciszy Parametry mikrofonów Impedancja [Ω]: impedancja zmierzona na wyjściu mikrofonu traktowanego jako źródło prądowe Odstęp sygnału od szumów (SNR) [db]: różnica między napięciem na wyjściu mikrofonu przy ciśnieniu akustycznym równym 1 Pa a napięciem szumów mikrofonu Maksymalna wartość SPL [db ]: SPLmaksymalna wartość ciśnienia akustycznego SPL, jaką może przenieść mikrofon przy danej wartości zniekształceń
Charakterystyka częstotliwościowa Wykres zależności czułości mikrofonu od częstotliwości wyrażonej w Hz (zwykle w paśmie akustycznym 20 Hz 20 khz) Zamiast wykresu podaje się również pasmo przenoszenia (ang. frequency response)
Mikrofon ciśnieniowo-ogradientowy - Charakterystyka kierunkowa:
Dobór mikrofonu zależny jest od jego zastosowania, jak również od indywidualnych upodobań. Niemniej jednak przyjęło się, że mikrofony dynamiczne najczęściej używamy do nagłaśniania muzyki na żywo (za wyjątkiem overheadów zestawu perkusyjnego). Natomiast pojemnościowe najlepiej sprawdzą się w studiu, do nagrań głosu ludzkiego, instrumentów akustycznych i wszystkiego z czego chcemy wydobyć szczegóły artykulacyjne, transjenty. Ale nawet w studiu czasami lepiej użyć mikrofonu dynamicznego. Szczególnie gdy mamy do czynienia z dużymi ciśnieniami akustycznymi - nagrywamy perkusję akustyczną (werbel, tomy, bębęn basowy) czy bardzo głośne gitary elektryczne rejestrowane mikrofonem z pieca, często lampowego, a wiadomo, lampa żeby zabrzmiała to trzeba mocno odkręcić gałkę w prawo. W takich wypadkach najlepiej zabrzmi dynamik (sprawdźcie legendarny Shure SM 57 na przykład). Oczywiście nie jest to sztywna reguła bo w przypadku gitar stosuje się czasami też pojemnościowe mikrofony, ale jeśli chcesz tak właśnie zrobić, to musisz sprawdzić jakie ciśnienie akustyczne może przenieść Twój mikrofon pojemnościowy. Jest to określane symbolem SPL. Dla głośnych źródeł dźwięku SPL powinien być większy niż 120dB. Najlepiej coś w okolicach 135dB. Niektóre mikrofony są wyposażone w tłumiki zmniejszające poziom przenoszonego sygnału (np. o 10dB lub 20 db). Jeśli nagrywasz pojemnościowym właśnie taki głośny sygnał to warto tłumik włączyć. Warto też wspomnieć o drugim przełączniku stosowanym w wielu mikrofonach pojemnościowych. Jest to filtr dolnozaporowy lub inaczej górnoprzepustowy. Wycina on wszystkie częstotliwości poniżej jakiejś granicy (najczęściej ta granica znajduje się od 75Hz do 100Hz albo nieznacznie powyżej). Polecam włączyć przy nagraniach w zasadzie wszystkiego z wyjątkiem stopy i basu. No chyba że nagrywasz utwór, w którym nie będzie perkusji i basu, a chcesz uzyskać grube, mięsiste brzmienie wokalu. Jednak uruchomienie filtru pomoże uniknąć tzw. zgłosek wybuchowych (P, B itp.). Oczywiście warto też stosować w przypadku nagrywania głosu ludzkiego osłonę przeciw powietrzną, szczególnie jeśli nagrywasz z bliska. Będzie to chronić mikrofon przed zapluciem a w efekcie uszkodzeniem, a także przed wspomnianymi przed chwilą zgłoskami wybuchowymi.
Mikrofony w studiach Wybór mikrofonu jest uzależniony od: rodzaju studia parametrów akustycznych studia czas pogłosu poziom zakłóceń (wewnętrznych i zewnętrznych) objętość liczby osób przebywających w studiu
Poziom napięcia szumów Tak jak wszystkie "cuda techniki" mikrofony nie są urządzeniami idealnymi. Wadą, jaką obarczone są każde mikrofony, są tzw. szumy własne. Szumów tych niestety nie da się całkowicie wyeliminować, ponieważ generowane są one na poziomie atomowym, a dokładniej przez fluktuacje cieplne pomiędzy atomami w przewodnikach. Napięcia szumów przyjmują wartości rzędu kilku mikrowoltów. Nasuwa się więc pytanie, jak bardzo szumy te wpływają na użyteczność mikrofonu. Aby określić tą specyficzną cechę mikrofonów, w specyfikacjach technicznych podaje się stosunek napięcia szumów do napięcia sygnału użytecznego.