2015-05-27
2224Раздел3.2.Микрофоны.История.Параметры.Конструкция.
3.2.1 Термины и определения.История микрофонов.***
Первичным звеном в системах звукозаписи и звукоусиления (в студийных условиях, концертных залах,стадионах,производственных помещениях и др.) является микрофон.
Выбор его параметров в значительной степени определяет качество звучания музыки и речи, которые с помощью систем радиовещания, телевидения, мультимедиа, звукозаписи и др. передаются многомиллионной аудитории слушателей. Именно поэтому к микрофонам выдвигаются особые требования по техническим, конструктивно-эстетическим характеристикам и надежности.
В соответствии с действующими международными рекомендациями IEC 268-4 и отечественным стандартом ГОСТ 16123-88[ ] определение микрофона вводится следующим образом: "Микрофон-устройство, с помощью которого акустические колебания воздушной среды преобразуются в электрические колебания”.Микрофон состоит из чувствительного элемента(капсюля) и согласующего устройства. Блок питания, предварительный усилитель и соединительные кабели входят в комплект микрофона, если они являются его неотъемлемой частью и указаны в технической документации на микрофон конкретного типа".
Современный микрофон имеет достаточно сложное конструктивное устройство. Пример одной из конструкций микрофона С-3000Б фирмы AKG показан на рис.1:он включает в себя капсюль электростатического типа, предусилитель, защитный экран, систему амортизаторов для крепления капсюля, разъемы, корпус с защитной решеткой и др. В конструкции цифрового микрофона,например, в одной из последних разработок фирмы Neumann модель"Solution –D", вместо предварительного усилителя в корпусе установлен АЦП и цифровой процессор для предварительной обработки звука. Многообразие конструкций микрофонов, выпускаемых в настоящее время промышленностью, чрезвычайно велико и продолжает постоянно увеличиваться.
История микрофонов
=Из всех видов электроакустических преобразователей, используемых в современной аудиотехнике, микрофон имеет самую длинную историю.Само название «микрофон» было предложено в 1827г Ч. Уитстоуном (Англия)и происходит от слов “micro”-малый “phone”-звук(греч).
= Первая конструкция микрофона была запатентована в 1876г знаменитым изобретателем А.Беллом и представляла собой «жидкостный передатчик» (рис.2), принцип устройства которого был достаточно прост: в металлический сосуд был налит водный раствор с небольшим количеством серной кислоты, в котором «плавала» пергаментная диафрагма, к которой была присоединена игла(позднее медный стержень). Когда оратор говорил в рупор, диафрагма начинала двигаться вверх-вниз, игла больше или меньше погружалась в раствор и соответственно менялось сопротивление электрической цепи, к которой был подключен сосуд.(сопротивление обратно пропорционально размеру мениска вокруг погруженной в раствор иглы) Такой «микрофон» был продемонстрирован на выставке в Филадельфии в 1876г и подтолкнул целую группу изобретателей Э.Берлинера, Д.Хьюза и Т.Эдисона к созданию угольного микрофона.
Угольный микрофон, запатентованный в 1886г Томасом Эдисоном,представлял собой чашку,заполненную угольными гранулами, сверху находилась металлическая диафрагма.Напряжение, приложенное между мембраной и чашкой обуславливало слабый постоянный ток через гранулы.Когда диафрагма начинала колебаться под действием падающей звуковой волны,гранулы сжимались,увеличивалась площадь контактов между ними и электрическое сопротивление падало- рис.3. В результате изменения сопротивления под действием звукового сигнала на выходе появлялся переменный ток, который усиливался и подавался к другим элементам оборудования. Такие микрофоны имели узкий диапазон воспроизводимых частот, не обеспечивали хорошего качества звука,со временем в них появлялось большое количество тресков и шумов и т.д..Однако они были очень просты в изготовлении, создавали достаточно высокий уровень выходного сигнала при подведении постоянного напряжения низкого уровня и поэтому получили очень широкое распространение, особенно в телефонии. Один из образцов угольного микрофона показан на рис.4. Массовое производство таких телефонов продолжалось примерно до 1920г,однако для некоторых специальных целей они используются до настоящего времени
Поиски новых принципов преобразования для микрофонов постоянно продолжались.
Конденсаторный микрофон был создан в 1916г Е.Венте в лаборатории Bell Lab(США)и использовался только для измерительных целей [Wein]. С 1926г BBC начала применятьтакого типа микрофоны в радиовещании,.В 1932г G. Neumann создал модель конденсаторного микрофона CMV-3,которая затем модифицировалась в модель М-7 и др. В 1947г кампания AKG представила свою первую модель лампового конденсаторного микрофона С1 (рис.5), который затем,был модифицирован в модельСК-12, а с 1962г начала их массовое производство.Сейчас конденсаторные микрофоны составляют основную долю в промышленном выпуске и широко используются в звукозаписи, радиовещании,телевидении и др.
Принцип их устройства достаточно прост (рис.6)- микрофон представляет собой плоский конденсатор, состоящий из двух обкладок. Из них внешняя, обращенная к источнику звуку сторона, выполнена в виде тонкой круглой металлизированной изнутри диафрагмы, скрепленной по окружности с кольцом из диэлектрика.. Второй обкладкой конденсатора служит массивное металлическое основание.К обкладкам подводится постоянное поляризующее напряжение. Когда под действием звуковой волны диафрагма начинает колебаться, меняется емкость конденсатора, соответственно меняется заряд и генерируется переменный электрический ток.
Конденсаторные микрофоны имеют ряд преимуществ, которые позволяют их широко использовать в студийной практике. К числу основных из них можно отнести следующие: низкий уровень переходных искажений (из-за малой массы диафрагмы), широкий частотный диапазон,малая чувствительность к магнитным помехам и т.д. Однако, они обладают меньшей механической и климатической стойкостью, чем динамические микрофоны, требуют дополнительного напряжения поляризации, и имеют более высокую стоимость.
Электродинамические микрофоны появились сравнительно поздно из-за отсутствия достаточно мощных постоянных магнитов.
Первый ленточный микрофон был реализован Г.Олсоном примерно в 1930г,хотя принцип его был описан раньше в 1924г (В.Герлах и Е.Шотке на ф.Siemens) [Wein]. Первый образец появился в 1931г на фирме RCAмодель РВ-31,затем на смену ему пришла очень успешная модель44А (рис.7). В нем использовалась металлическая слегка гофрированная ленточка, которая двигалась под действием звуковой волны в магнитном поле, между полюсами постоянных магнитов, при этом в ней индуцировался переменный электрический ток .(рис.8) Микрофоны такого типа выпускаются до настоящего времени в достаточно больших количествах.Они обеспечивают достаточно широкий диапазон частот,чистое и «теплое» звучание,поэтому широко используются в звукозаписи.
Динамический катушечный микрофон был реализован А.Блюмлайном в 30-гг на фирме EMI с использованием электромагнитов(хотя идея такого микрофона была запатентована В.Сименсом еще в 1878г[Wein]),с 1936г модель такого микрофона HB1A начала использоваться в звукозаписи рис.9. Позднее после войны с появлением мощных постоянных магнитов начался их промышленный выпуск на фирмах AKG, Neumann и др.,и в настоящее время это один их самых массовых типов микрофонов.
Принцип действия катушечных микрофонов основан на том, что при воздействии звуковой волны на легкую диафрагму, она начинает колебаться и приводит в движение связанный с ней проводник (звуковую катушку),который помещен в постоянное магнитное поле. При движении проводника с током в магнитном поле в нем индуцируется электрический сигнал, который затем усиливается и передается для дальнейшей обработки (рис.10).
Электродинамические микрофоны обладают рядом преимуществ: устойчивостью к перегрузкам, стабильностью работы в различных климатических условиях, прочностью конструкции и др.
Электретные пленочные микрофоны были разработаны Г.Сесслером и Дж. Вестом в 1962г на фирме Bell Labs(США).В них использовалась для подвижной диафрагмы металлизированная тонкая поляризованная пленка, способная держать заряд, что позволило отказаться от устройств, обеспечивающих высокое постоянное напряжение(фантомное питание) на пластинах конденсатора. Это значительно облегчило технологию их изготовления и снизило стоимость. Поэтому электретные преобразователи нашли в настоящее время широкое применение в петличных микрофонах, в сотовых телефонах,в компьютерах и др.
Таким образом, к концу ХХ-века в практике звукозаписи использовались в основном микрофоны следующих четырех типов: конденсаторные, электретные, динамические катушечные и ленточные. Однако, поиски новых принципов преобразования акустического сигнала в электрический все время продолжаются.
Одним из наиболее перспективных направлений, которым на протяжении последних нескольких лет занимаются фирма Sennheiser совместно с израильской фирмой Phone-Or, является создание оптических микрофонов.
Оптические микрофоны используют принцип модуляции интенсивности лазерного светового луча: луч света от лазерного источника направляется по оптоволокну и освещает мембрану микрофона. При колебаниях мембраны световой поток модулируется (по интенсивности) и направляется по второму оптоволокну на фотодиод, который преобразует сигнал в переменный ток (рис.11). При таком принципе не используется преобразование колебаний мембраны непосредственно в электрический сигнал как в обычных микрофонах. Мембрана может быть вообще размещена на расстоянии несколько десятков (сотен) метров от источника света и фотодиода из-за низких потерь при передаче сигнала по оптоволокну(потери сигнал/шум составляют меньше 3дБ на 1км оптоволокна). Микрофон не производит никаких электромагнитных излучений(ни за счет капсюля, где в других типах микрофонов обычно размещен предусилитель, ни за счет кабелей), и сам нечувствителен к электромагнитным,электростатическим и радиоактивным полям полям. Из-за малых размеров может быть размещен в любом труднодоступным месте (при этом его трудно обнаружить известными методами)и может работать в сильных магнитных, электрических или радиополях.Пример выпускаемого в настоящее время фирмой Sennheiser оптического микрофона модель IAS VO 2000 Set показан на рис.12а, а модель микрофона Optimic1140 на рис.12б.
Кроме вышеперечисленных, достаточно давно были созданы пьезоэлектрические микрофоны,в которых в качестве преобразователя используется или пьезоэлектрические кристаллы (типа PZT-титанат свинца***)или керамика(например,например пластины из титанат бария).После поляризации они приобретают свойства,преобразовывать механические деформации в электрический ток (по этому же принципу работают пьезосниматели в электромузыкальных инструментах).Такие микрофоны обладают хорошей стабильностью,воспроизводят диапазон 80-6500Гц(есть варианты до 16кГц), имеют высокий выходной импеданс порядка 100кОм, что требует нагрузочного импеданса1-5Мом (это хорошо согласуется с ламповыми усилителями). чувствительность-30дБ. Примером такой конструкции может служить модель 951 фирмы Electro-Voice 1966 (рис.13).
Применение новых технологий позволило создать сверхминиатюрные MEMS микрофоны(MEMS микро-электро-механические системы).Они называются также микрофонные чипы или кремниевые микрофоны.В них используется конденсаторный или пьезоэлектрический тип преобразования (ведутся работы по применению оптических и других способов преобразования).Технология их изготовления была представлена в 1994г на конгрессе AES G.Sessler’ом (Технический университетет г.Darmstadt-Германия)[ ].На кремниевую подложку напыляется материал мембраны.На заднюю поверхность подложки наносится защитный слой. Затем со стороны задней поверхности гравируются(вытравливаются)V-канавки.Примеры конденсаторного микрофона на двух склеенных подложках или на одной подложке показан на рис. 15а,б. На одной кремниевой подложке находится мембрана с метализированным слоем иV-канавками,на другой выгравированы сплошные отверстия и он служит неподвижным металлизированным электродом.Обе подложки склеены, между ними находятся прокладки для формирования воздушного зазора.Под действием звуковой волны мембрана колеблется,изменяется емкость конденсатора и создается переменный электрический сигнал. Для такого микрофона необходим источник постоянного напряжения. Сейчас изучаются способы создания микрофонных чипов с электретным и пъезоэлектретным принципом преобразования.[Адрес -Интернет ].
Преимуществом микрофонных чипов является малые размеры (площадь мембраны ~1кв.мм),возможность интегрировать в этот же микрофонный чип усилители,АЦП,цифровые процессоры и другие устройства,создавать на одном чипе решетку таких микрофонов и с помощью цифровых процессоров формировать их характеристики направленности.[Ballow].Основные производители MEMS микрофонов фирмы: Analog Devices, Akustica (AKU200x), Infineon (SMM310), Knowles Electronics, Memstech (MSMx), NXP Semiconductors, Sonion MEMS, AAC Acoustic Technologies and Omron.
Наряду с развитием и совершенствованием принципов преобразования акустической энергии в электрическую, в микрофонах, начиная с 30-х лет ХХв., шли работы по совершенствованию их конструкций для обеспечения необходимых параметров.. В 1937г был запатентован микрофон с кардиоидной характеристикой направленности,состоящий из двух микрофонов электродинамического и ленточного типа.В 30-годы после появления патента А.Блюмлайна, посвященного стереотехнике(в звукозаписи, радиовещаниии и др),начали развиваться стереосистемы микрофонов ХУ, MS и др. подробнее дальше).В 60-80-е годы* появилось огромное многообразие конструкций: микрофоны пограничного слоя (PZM), параболические микрофоны,остронаправленные микрофоны (shotgun) петличные(lavalier), «искусственная»голова и многие другие.
Перевод аудиотехники на цифровые методы обработки, привел к появлению нового поколения пространственных систем звукозаписи и звукопередачи (Surround Sound),что обусловило появление цифровых микрофонов(типа Solution –D) и специальных микрофонных систем (например,Soundfield).
Подробнее об этом будет изложено в следующих разделах данной главы.
Промышленное производство микрофонов в настояшее время достигает десятков миллионов штук в год. Разработкой и производством микрофонов занимаются такие фирмы как Neumann,Sennheiser,Beyerdynamic,B&K,AKG, Shure, Sony, DPA Microphone, Октава" г.Тула и многие другие
