Меню

Устройство и принцип работы

Под устройством и принципом работы понимают совокупность процессов и логические взаимосвязи ведущие в итоге к желаемому результату, в данном случае переменный ток, форма волны которого аналогична форме акустической волны. Отсюда, кстати, и берет свое начало всем хорошо знакомое понятие аналоговый звук.

Абсолютное большинство микрофонов, приеняемых сегодня в аудиоиндустрии относятся к одной из двух, получивших наиболее широкое распространение, технологий — динамические и конденсаторные.

1.1. Динамические микрофоны

Принцип работы динамического микрофона основан на физическом законе, который гласит – движение проводника в магнитном поле создает электрический ток. Это явление называется индукцией.

Устройство

Проводник, к которому прикреплена мембрана, помещен в постоянное магнитное поле. Изменения давления воздуха, как следствие распространения звуковой волны, заставляют мембрану двигаться в соответствии с амплитудой, фазой и частотой этой самой звуковой волны. Мембрана, в свою очередь, передает это движение проводнику. Движение проводника в постоянном магнитном поле создает электрический сигнал, который в точности описывает звуковую волну, создавшую это движение. Отсюда и название – аналоговый, так как возникший сигнал является аналогом звуковой волны.

Для облегчения механизма, а значит повышения подвижности, проводник изготавливают из тонкой проволоки, которая обмотана вокруг пластикового пустотелого стержня. Это увеличивает количество проводимого материала в магнитном поле, что, в свою очередь, увеличивает индукцию и чувствительность микрофона.

У данной конструкции есть свои преимущества и недостатки:

Преимущества:

Надежность

Способность работать с высокими звуковыми давлениями

Простая конструкция и относительно низкая цена

Недостатки:

Пониженная чувствительность к высоким частотам (спад АЧХ)

Относительно медленная реакция на резкие перепады в уровне звукового давления импульсы

Вышеперечисленные характерные аспекты могут быть как достоинствами, так и недостатками. Главное о них знать, а как их применить в свою пользу дело уже за вами.

1.2. Конденсаторные микрофоны

Принцип работы конденсаторного микрофона основан на свойстве конденсатора изменять эллектрическую емкость в зависимости от расстояния между его пластинами.

Устройство

В конденсаторном микрофоне одна из пластин подвижна и является мембраной. Она выполнена из тончайшего материала, с целью сделать ее как можно более легкой. Как правило, используется пластиковая пленка, на которую наносится тонкий слой золота или никеля. Вторая же пластина неподвижна. Звуковое давление, воздействуя на мембрану, заставляет ее двигаться в направлении второй пластины, что сокращает расстояние между ними и, как следствие, вызывает изменение емкости конденсатора. Электрический ток, возникающий вследствие этого, и есть сигнал, описывающий звуковую волну. Для создания электрического поля между двумя пластинами, необходимого для работы конденсатора, могут использоваться два способа: внешний источник (батарея или фантомное питание) или же покрытие одной из пластин поляризованным материалом (такие микрофоны называют электретными). Источник питания необходим так же для обеспечения работы предусилителя, установленного практически во всех конденсаторных микрофонах по причине очень слабого сигнала – амплитуда движения диафрагмы очень ограничена, что выражается в очень незначительных изменениях в напряжении, поэтому уровень сигнала требуется увеличить, прежде чем передавать его по кабелям.

Преимущества:

Более чувствительны, особенно в области высоких частот

Способны более быстро реагировать на резкие изменения в характеристике волн

Недостатки:

Требуют дополнительного источника питания

Более требовательны в обращении

Общее описание

За основу взята схема Эрика Уоллина. В качестве стабильного источника
опорного напряжения (ИОН) для электретного микрофона использован прецизионный
источник напряжения LM385 на 2,5 вольта. Он обладает высокой стабильностью
выходного напряжения при изменении окружающих условий (изменение напряжения
питания, температуры, влажности) и не дает помех как,например, стабилитрон.
Большинство конденсаторных микрофонов (например, WM60 и MCE2000) имеют рабочее
напряжение от 1,5 до 10 В, с номинальным значением в диапазоне Uмик=2÷4
В. При этом их
максимальный потребляемый ток равен 0,5 мА. Поскольку усилитель должен быть
работоспособным при снижении напряжения до 5÷6В (разряд батареи),

то с учетом падения напряжения на выходных транзисторах ОУ (DA1.1) и
сопротивлениях R4,R5 было выбрано Uмик=2 В.
В цепи обратной связи самого усилителя (DA1.2) установлен переменный резистор.
С помощью него можно изменять коэффициент усиления от 2 до 20 раз. Резистор R11
корректирует верхний предел усиления. Конденсатор C10 совместно с параллельными
ему резисторами образует ФВЧ, препятствующий самовозбуждению ОУ и
ограничивающий полосу пропускания усилителя. С номиналами, приведенными на
схеме, полоса пропускания по уровню -3dB: 1Гц — 115кГц; по уровню -0,5dB: 5Гц —
50кГц.
Усилитель с подключенным к нему микрофоном потребляет ток равный 5,95 мА
(Uбат=9 В). При разряде батарее до 4,3 В напряжение на микрофоне начинает
снижаться. Если применить так называемый Rail-to-Rail операционный усилитель
(например, AD823), то батарею можно использовать при снижении ее напряжения до
3,4…3,5 В.
В случае недоступности LM385 и ее аналогов в качестве ИОН можно использовать
несколько p-n переходов :

Рис. ИОН с
p-n переходами.

У разных диодов прямое напряжение Uпр на переходе имеет среднее значение
0,55÷0,65
В и незначительно
зависит от протекающего прямого тока, что и является главным требованием ИОН.
Если учесть, что каждый диод имеет Uпр=0,6 В, то напряжение ИОН, состоящего из
трех p-n переходов, будет равно 1,8 В. в этой конструкции желательно
использовать так называемые Rail-to-Rail операционные усилители, чтобы размах
неискаженного выходного напряжения усилителя был максимально возможным — приближался
к напряжению питания. Таким образом, батарею питания можно будет использовать
дольше — при ее разряде до 3,3÷3,5В.

Обработка данных с выхода цифрового микрофона

Для выделения сигнала звуковой полосы частот данные с микрофона должны быть отфильтрованы и передискретизованы с пониженной частотой (обычно в 50–128 раз меньшей частоты дискретизации Σ-Δ модулятора). Цифровой фильтр нижних частот отсеивает внешний шум и собственный шум микрофона за пределами рабочей полосы (f >F_clk /2М) с целью защиты от наложения спектров, а также дает возможность снизить частоту следования данных. На рис. 8 представлен один из возможных вариантов обработки однобитового потока данных с микрофона, реализуемый программно на DSP или аппаратно в звуковых кодеках.

Рис. 8. Упрощенная схема цифрового преобразователя сигнала Σ-Δ модулятора

Изображенная на рис. 8 схема сжатия (компрессор) частоты дискретизации понижает частоту дискретизации за счет того, что из каждых М выборок отфильтрованного сигнала w(mM) отбрасывается M–1 выборка. Вход и выход преобразователя, изображенного на рис. 8, связаны следующим выражением:

При программной реализации преобразователей частоты в качестве цифрового ФНЧ могут использоваться как КИХ-, так и БИХ-фильтры. Разработчикам следует очень внимательно подходить к выбору типа фильтра, его длины и разрядности, поскольку от этого напрямую зависит производительность всей системы в целом. Правильно рассчитанный и реализованный дециматор (преобразователь частоты) в некоторых случаях позволит значительно снизить стоимость продукции и повысить ее технические характеристики. В качестве справки отметим, что в процессе разработки диктофонов «Сорока-1» и «Сорока-2» программные дециматоры, понижающие частоту в 64 раза (c 1,024 МГц до 16 кГц), были успешно реализованы как на высокопроизводительном процессоре ADSP-BF538F, так и на микроконтроллере MSP430F5438 c рабочей тактовой частотой 12,288 МГц . Амплитудно-частотная характеристика цифрового ФНЧ, входящего в состав реализованного дециматора, приведена на рис. 9. Для получения полной информации по практическим вопросам цифровой фильтрации следует обратиться к главам 6–9 книги .

Рис. 9. АЧХ программного дециматора, реализованного на процессорах ADSP-BF538F и MSP430F5438

В качестве второго варианта для преобразования данных с выхода цифрового микрофона можно использовать приспособленные для этого звуковые кодеки, что существенно сократит время разработки изделия. Например, фирма Analog Devices предлагает использовать кодеки ADAU1361 и ADAU1761 , которые одинаково подойдут для микрофонов ADMP421 и SPM0405HD4H.

Измерение с требуемой точностью АЧХ для рабочей полосы частот оказалось достаточно сложной задачей из-за отсутствия в лаборатории акустического излучателя с линейной амплитудной характеристикой по звуковому давлению. Оценки результирующей АЧХ показывают ее линейность в рабочей полосе частот с погрешность около ±4 дБ. Поэтому при оценке линейности АЧХ мы сочли правильным опираться на заявленные характеристики производителей и расчетные характеристики фильтров низкой частоты с пульсацией в полосе пропускания менее 1 дБ.

МЭМС-микрофоны открывают перед разработчиками звуковой аппаратуры новые возможности. Процесс создания цифровых звуковых устройств становится простым в плане аппаратной реализации и сложным в плане написания программ для используемых микроконтроллеров. Мы надеемся, что приведенная в этой статье информация по методикам и параметрам будет интересна многим инженерам.

Электретный микрофон Википедия

Электре́тный микрофо́н — микрофон с принципом действия, сходным с микрофонами конденсаторного типа, использующий в качестве неподвижной обкладки конденсатора и источника постоянного напряжения пластину из электрета. Используется способность этих материалов сохранять поверхностный заряд в течение длительного времени.

Принцип действия гомоэлектретного микрофона

Тонкая плёнка из гомоэлектрета помещается в зазор конденсаторного микрофона либо наносится на одну из обкладок. Это приводит к появлению некоторого постоянного заряда конденсатора. При изменении ёмкости, вследствие смещения мембраны, на конденсаторе появляется изменение напряжения, соответствующее акустическому сигналу.

В самой конструкции современного микрофона предусмотрен предусилитель, поэтому необходимо соблюдать полярность подключения и обеспечить питанием транзистор предусилителя. Это достигается подачей на микрофон фантомного питания. Например, некоторые звуковые карты предусматривают фантомное питание во входах для микрофонов. Некоторые модели электретных микрофонов снабжаются собственным автономным источником питания (аккумуляторы или батарейки).

Принцип действия гетероэлектретного микрофона

В таком микрофоне сама гетероэлектретная плёнка служит мембраной. При её деформации на её поверхностях возникают разноимённые заряды, которые можно зарегистрировать, расположив электроды непосредственно на поверхности плёнки (на поверхность напыляют тонкий слой металла (алюминий, золото, серебро и т. п.).

Особенности подключения

₊

В отличие от динамических микрофонов, имеющих низкое электрическое сопротивление катушки (~50 Ом ÷ 1 кОм), электретный микрофон имеет чрезвычайно высокий импеданс (имеющий емкостный характер, конденсатор ёмкостью порядка десятков пФ), что вынуждает подключать их к усилителям с высоким входным сопротивлением. В конструкцию практически всех электретных микрофонов входит предусилитель («преобразователь сопротивления», «согласователь импеданса») на полевых транзисторах, реже на миниатюрных радиолампах, с входным сопротивлением порядка 1 ГОм и выходным сопротивлением в сотни Ом, находящийся в непосредственной близости от капсюля. Поэтому, несмотря на отсутствие необходимости в поляризующем напряжении, такие микрофоны требуют внешний источник электропитания.

Как работает электретный микрофон

Электретные микрофоны являются одной из разновидностей конденсаторных микрофонов. Они выглядят как маленький конденсатор и состоят из диафрагмы и фиксированной мембраны.

Мембрана в устройствах этого типа выполнена из поляризованной электретной пленки, покрытой слоем металла. Тонкое металлическое покрытие – одна из двух граней конденсатора, другая – жесткая пластина. Акустическое давление воздействует на диафрагму, вызывая изменение емкости конденсатора.

В некоторых моделях электретный слой имеет фиксированное покрытие, а мембрана изготовлена из лучших материалов с механическими и термическими свойствами.

Преимущества и недостатки электретных микрофонов

Преимущества электретных микрофонов:

• Их легко и дешево производить, они являются одними из самых дешевых на рынке
• Используются, в основном, как поверхностные и конференц-микрофоны, а также микрофоны в мобильных телефонах, компьютерах, камерах, домофонах и устройствах прослушивания
• Более качественные электретные модели используются в измерителях уровня звука класса 1, а также в вокальных микрофонах
• Доступны как модели с разъемами XLR, разъемом 3,5 мм и проводными клеммами
• Как и все конденсаторные микрофоны, электретные устройства отличаются высокой чувствительностью и долговременной стабильностью
• Кроме того, эти модели устойчивы к влаге, ударам и механическим повреждениям

Недостатки электретных микрофонов:

• Они не пользуются популярностью среди звукорежиссеров, их часто считают худшими
• Подобно классическим конденсаторным микрофонам, требуется дополнительный источник питания, однако, в этом случае достаточно 1 вольта

Классификация микрофонов[править]

Динамический микрофонправить

Динамический микрофон — наиболее распространённый тип конструкции микрофона. Он представляет собой мембрану, соединённую с лёгким токопроводом, который помещен в сильное магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом. Колебания давления воздуха (звук) воздействуют на мембрану и приводят в движение токопровод. Когда токопровод пересекает силовые линии магнитного поля, в нём наводится ЭДС индукции. ЭДС индукции пропорциональна как амплитуде колебаний мембраны, так и частоте колебаний.

Катушечный микрофонправить

В электродинамическом микрофоне катушечного типа диафрагма соединена с катушкой, находящейся в кольцевом зазоре магнитной системы. При колебаниях диафрагмы под действием звуковой волны витки катушки пересекают магнитные силовые линии, и в катушке наводится переменная ЭДС. Такой микрофон надёжен в эксплуатации.

Ленточный микрофонправить

В электродинамическом микрофоне ленточного типа вместо катушки в магнитном поле располагается гофрированная ленточка из алюминиевой фольги. Такой микрофон применяется главным образом в студиях звукозаписи.

Конденсаторный микрофонправить

Конденсаторный микрофон основан на конденсаторе, одна из обкладок которого выполнена из эластичного материала (обычно — полимерная плёнка с нанесённой металлизацией); при звуковых колебаниях вибрации эластичной обкладки изменяют ёмкость конденсатора. Если конденсатор заряжен, то изменение ёмкости конденсатора приводит к возникновению токов заряда, которые и являются полезным сигналом, поступающим с микрофона на усилитель. Для работы такого микрофона между обкладками должно быть приложено поляризующее напряжение, 60-80 вольт в более старых микрофонах, а в моделях после 1960—1970-х годов — 48 вольт. Такое напряжение питания считается стандартом, именно с таким фантомным питанием выпускаются предусилители и звуковые карты. Конденсаторный микрофон имеет очень высокое выходное сопротивление. В связи с этим, в непосредственной близости к микрофону (внутри его корпуса) располагают предусилитель с высоким (порядка 1 ГОм) входным сопротивлением, выполненный на электронной лампе или полевом транзисторе.

Конденсаторные микрофоны обладают весьма равномерной амплитудно-частотной характеристикой и обеспечивают высококачественный захват звука, в связи с чем широко используются в студиях звукозаписи, на радио и телевидении. Недостатками их являются высокая стоимость, необходимость во внешнем питании и высокая чувствительность к ударам и климатическим воздействиям — влажности воздуха и перепадам температуры, что не позволяет использовать их в полевых условиях.

Электретный микрофонправить

По принципу действия электретный микрофон схож с микрофоном конденсаторного типа, однако в качестве неподвижной обкладки конденсатора и источника постоянного напряжения используется пластина из электрета. Электретные материалы являются диэлектриками и способны длительное время сохранять поляризованное состояние, создавая в окружающем пространстве квазипостоянное электрическое поле.

Угольный микрофонправить

Угольный микрофон — один из первых типов микрофонов. Содержит угольный порошок, размещённый между двумя металлическими пластинами и заключённый в герметичную капсулу. Стенки капсулы или одна из металлических пластин соединяется с мембраной. При изменении давления на угольный порошок изменяется площадь контакта между отдельными зёрнышками угля, в результате чего изменяется сопротивление между металлическими пластинами. Если пропускать между пластинами постоянный ток, напряжение между пластинами будет зависеть от давления на мембрану.

Пьезомикрофонправить

В основе пьезомикрофона используется пьезоэлектрический эффект. При деформации некоторых кристаллов (например, кристаллов сегнетовой соли) на их поверхности возникают электрические заряды, величина которых пропорциональна деформирующей силе. Пластинки из искусственно выращенных кристаллов служат основным рабочим элементом пьезомикрофонов.

По своим электроакустическим и эксплуатационным свойствам пьезомикрофоны не могут обеспечить требований, предъявляемых к профессиональным студийным и трансляционным микрофонам. К недостаткам пьезомикрофонов следует отнести высокое внутреннее сопротивление, имеющее емкостный характер, значительную неравномерность частотной характеристики, недостаточную эксплуатационную надежность (хрупкость, гигроскопичность) и зависимость параметров от температуры. Достоинствами пьезомикрофонов являются простота устройства, малый вес и габариты, а также небольшая стоимость.

Нелинейность амплитудно-частотной характеристики

К вышеописанным характеристикам, таким как тип, принцип работы и направленность, можно добавить еще один очень важный аспект, играющий не менее важную роль в выборе микрофона для конкретной задачи – амлитудно-частотная характеристика (АЧХ) и уровень искажений. Чаще всего именно они предопределяют оттенок звука, характерного для той или иной модели микрофона.

АЧХ описывает отклонения амплитуды сигнала от амплитуды оригинала на той или иной частоте в определенном диапазоне. Эти отклонения происходят в силу различных факторов, среди которых можно назвать особенности конструкции мембраны, ее материал и вес, а также конструкторские решения по реализации внутренних электроцепей и блоков микрофона. Как правило АЧХ представлена в виде графика (См. график 1), на котором можно видеть на каких именно частотах и насколько децибел происходит отклонение от линейности.

Однако может быть представлена в следующем виде: 60Hz — 20kHz (+/- 2dB) . В данном случае невозможно знать на каких именно частотах происходит отклонение. На основе этих данных можно лишь заключить, что в диапазоне от 60Hz до 20KHz максимальное отклонение составляет 2dB. Взглянув на АЧХ микрофона в сопроводительной документации, можно сделать предварительные выводы о “цвете” и “оттенке” микрофона. Но окончательные выводы можно сделать лишь тщательно прослушав микрофон на различных источниках звука. Это самый лучший показатель. При работе со звуком, полагайтесь на свои уши, а не на глаза!

Кроме вышеперечисленных характеристик существуют еще несколько немаловажных:

Максимальный уровень звукового давления (dBSPL). Этот параметр должен включать в себя процентное содержание общих гармонических искажений при заявляемом уровне.

Уровень собственного шума (dB/dBA). Как правило не превышает 30 dBA

Сопротивление на выходе (Ohm). Это очень важный момент. Все профессиональные микрофоны имеют низкое сопротивление на выходе (Lo-Z), не более 600Ω

Это очень важно для возможности передавать сигнал на относительно большие (около 100 метров) расстояния без потери качества и уровня сигнала

Программы для измерений

Нам нужно измерить акустику помещения. Для проведения таких измерений и получения наглядных графиков в компьютере можно использовать любые программы – их очень много. Большинство из них профессиональные, очень навороченные и только платные.

Ниже совсем маленький список программ, которые многие профессионалы используют для замеров акустики и помещений:

• ULYSSES это программа, разработанная для быстрой и точной оценки и моделирования акустических параметров помещений. https://www.ifbsoft.de
• ODEON – Room Acoustics Software. Профессиональная программа http://www.odeon.dk
• EASE v3.0 программа акустического моделирования больших помещений (стадионы, церкви, арены, театры и т.п.). Предназначена для инсталляторов, архитекторов, инженеров, строителей. https://www.renkus-heinz.com
• PRAXIS это сложная измерительная система, использующая большие возможности Windows. Предназначена для профессионалов. http://www.libinst.com/PraxisMoreInfo.htm
• Room EQ Wizard. Это для анализа акустики помещения, для измерения и анализа характеристик помещения и громкоговорителей. Состав:
  • инструменты для генерации звуковых тестовых сигналов;
  • проведение измерений SPL и импеданса;
  • замеры частотных и импульсных характеристик;
  • измерение искажений;
  • создание графиков фазы, групповой задержки и спектрального затухания;
  • создание графиков анализатора в реальном времени (RTA);
  • расчет времени реверберации;
  • расчет параметров Тиля-Смолла;
  • определение частот и времен затухания модальных резонансов;

Вот последняя из списка – программа, которую используют практически все, кто интересуется акустикой и качественным звуком в домашних условиях. Она интуитивно понятна и имеет достаточно средств для получения исчерпывающей информации.

Не реклама программы, а просто на многочисленных форумах пишут и задают вопросы именно про эту программку.

Room EQ Wizard

Скачать программу для измерения можно и нужно с официального сайта Room EQ Wizard.  Она распространяется на безоплатной основе и доступна для любой операционной системы. На главной странице скачиваем нужную версию приложения (для любой операционной системы)

Приложение Room EQ Wizard предназначено для анализа акустических параметров помещения и получения данных, необходимых для коррекции частотных характеристик.

Запускаем программу. Для начала нужно откалибровать сам микрофон, что бы он корректно выдавал показания. Потом можно проводить измерения.

Включается тестовый сигнал генератора. Колонками воспроизводится весь спектр частот. Микрофон слушает этот сигнал, программа записывает и выдает результаты в виде АЧХ графика.

Это очень коротко о работе с программой, потому что там не всё так просто и в двух словах не рассказать. Много тонких настроек. На просторах интернета много роликов, в которых рассказывают о тонкостях калибровки микрофона, настройках программы, её возможностях и преимуществах.

Вероятно, позднее, для раскрытия этого вопроса будет написана статья, а может и не одна. Но в уже имеющихся видеороликах более наглядно и понятнее  выглядят пояснения по работе с программой. Стоит только правильно задать вопрос поисковику.