Микрофон. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Микрофон (от греч. mikros - малый и phone-звук) - приёмник звука, представляющий собой электроакустический преобразователь, предназначенный для преобразования звуковых колебаний в воздушной среде в электрич. сигналы. В комплект M., как правило, входят помимо собственно преобразователя и другие необходимые для его практич. применения элементы: согласующие трансформаторы, предварит, усилители и др.

M., как всякий приёмник звука, характеризуется чувствительностью, диапазоном воспроизводимых частот (т. е. частотной характеристикой чувствительности), направленностью, динамич. диапазоном. Верхней границей последнего является т. н. предельный уровень звукового давления, при к-ром коэф. гармонич. искажений сигнала на выходе M. достигает 0,5-1%; ниж. граница динамич. диапазона, т. н. эквивалентный уровень звукового давления, представляет собой уровень звукового давления, при к-ром на выходе M. обеспечивается напряжение, равное напряжению шума, обусловленного собств. молекулярными шумами преобразователя, тепловыми шумами резистивных элементов, шумами предварит, усилителя и т. п. Практически во всех преобразователях M. имеется подвижный элемент (диафрагма, мембрана), способный колебаться под воздействием звукового давления н осуществляющий т. о. акусто-механич. преобразование.

В зависимости от того, каким образом формируется результирующая сила F, воздействующая на подвижную систему, все M. подразделяются на приёмники давления, градиента давления и комбиниров. приёмники. В приёмниках давления звуковое поле действует на подвижную систему с одной стороны; результирующая сила F в этом случае не зависит от направления прихода звуковой волны и M., при условии, что его размеры малы по сравнению с длиной волны, не обладает направленностью.

У градиентных приёмников подвижная система подвергается с обеих сторон воздействию звукового поля и результирующая сила определяется разностью

звуковых давлений на двух акустич. входах системы, находящихся на расстоянии d друг от друга:

, где

- угол падения звуковой волны относительно акустич. оси преобразователя. Ha-правленность такого приёмника описывается функцией cosQ, причём макс, выходной сигнал имеет место при осевом падении звуковой волны, т. е. при

, а при

выходной сигнал равен нулю.

Объединив приёмник градиента давления с приёмником давления либо электрически, либо путём построения соответствующей механо-акустич. системы, получают комбиниров. приёмник, позволяющий реализовать в зависимости от соотношения чувствитель-ностей исходных приёмников разнообразные диаграммы направленности. Чаще всего используются комбиниров. приёмники с диаграммами направленности в виде кардиоиды, суперкардиоиды и гиперкардиоиды. Для создания остронаправленных M. применяют акустич. зеркала или конструкции типа акустич. антенны бегущей волны.

По энергетич. характеристикам все M. можно разделить на две группы: M., энергия выходного сигнала к-рых обеспечивается источником питания, и M., энергия выходного сигнала к-рых обусловлена лишь преобразованием энергии звукового поля.

M., относящиеся к первой группе, являются необратимыми преобразователями; их достоинство - большая мощность выходного сигнала, позволяющая обходиться в ряде случаев без дополнит, усилителей. Типичным представителем M. первой группы служит угольный M., используемый в телефонии. Принцип его действия основан на зависимости электрич. сопротивления между частицами угольного порошка от давления, с к-рым действует на порошок диафрагма M., колеблющаяся под воздействием звукового поля. В такт с колебаниями диафрагмы изменяется ток в цепи M., подключённого к источнику питания. Выходной переменный сигнал может быть выделен с помощью трансформатора, первичная обмотка к-рого включена в цепь M. Угольные M. выполняются лишь как приёмники давления. Диапазон воспроизводимых угольными M. частот невелик - от сотен Гц до неск. кГц, однако он достаточен для обеспечения разборчивости речи. Чувствительность их составляет 200-400 мВ/Па при токе питания 10-100 мА, динамич. диапазон не превышает 30 дБ. Коэф. гармонич. искажений может достигать 10-20%.

M. второй группы могут иметь значительно более высокие эл--акустич. параметры. По принципам механо-электрич. преобразования они подразделяются на эл--динамические, эл--статические и пьезоэлектрические. Наиб, широкое применение в звукотехнике нашли эл--динамич. M.- катушечные и ленточные. У катушечного эл--динамич. M. (рис. 1) пост, магнит 1 создаёт в кольцевом зазоре 2 радиальное магн. поле, в к-ром находится звуковая катушка 3 с лёгкой диафрагмой 4 (подвижная система), закреплённой на магн. системе с помощью гофриров. воротника 5. При колебаниях диафрагмы под действием звуковых волн меняется магн. поток, пронизывающий катушку, и на её зажимах индуцируется эдс.

Эл--динамич. катушечные M. выпускаются в осн. как приёмники давления и комбиниров. приёмники. Их частотный диапазон охватывает область от 20 Гц до 20 кГц, чувствительность составляет 1-3 мВ/Па. Благодаря высоким эл--акустич. параметрам, простоте конструкции и надёжности в эксплуатации катушечные эл--динамич. M. применяются в бытовой технике, системах звукоусиления и профессиональной звукозаписи.

Более ограниченное применение находят ленточные M., у к-рых подвижной системой служит тонкая ленточка из гофриров. металлич. фольги, закреплённая между полюсами пост, магнита и являющаяся одновременно подвижным проводником. В связи с малой длиной ленточки чувствительность M. составляет всего 10- 20 мкВ/Па; для её повышения приходится предусматривать встроенный повышающий трансформатор, увеличивающий размеры и массу ленточного M. Ленточные M. чаще всего выполняются как градиентные приёмники. Они отличаются гладкими частотными характеристиками чувствительности во всём слышимом диапазоне частот.

Сред 1Р используемых M. наиб, высокими эл--акустич. параметрами обладают конденсаторные M., построенные на базе эл--статич. преобразователей (рис. 2). Подвижная система такого преобразователя представляет собой тонкую мембрану 1, являющуюся одноврем. одной из обкладок плоского конденсатора. Второй обкладкой конденсатора служит массивный неподвижный электрод 2 с отверстиями, к-рые делаются в нём для обеспечения необходимых диссипативных свойств воздушного зазора между электродами. С помощью· источника пост, напряжения U₀ в рабочем зазоре конденсатора создаётся электрич. поле. При колебаниях мембраны под воздействием звуковых волн ёмкость конденсатора меняется и через сопротивление нагрузки R протекает раз-рядно-зарядный ток г, создающий на сопротивлении Л напряжение сигнала U , повторяющего по форме акустич. сигнал. Если мембрана преобразователя выполняется из электретного материала или такой материал наносится на неподвижный электрод, то необходимость в источнике поляризующего напряжения исключается, поскольку электрет создаёт в зазоре преобразователя требуемую напряжённость поля.

Конденсаторные M. выполняются как приёмники давления, градиента давления и комбиниров. приёмники. Благодаря ничтожной массе мембраны, к-рая изготовляется из металлич. фольги или металлизиров. полимерных плёнок толщиной 3 -10 мкм, частотный диапазон конденсаторных M. часто простирается от единиц Гц до 150 кГц и выше. Чувствительность их в области звуковых частот составляет ~10 мВ/Па; динамич. диапазон собственно преобразователей конденсаторных M. достигает 130-140 дБ. Из-за высокого внутр. сопротивления эл--статич. преобразователи нельзя непосредственно подключать к длинной линии. Предварит, усилитель с большим входным сопротивлением должен располагаться непосредственно в корпусе M.

Конденсаторные M. являются осн. видом измерит, звукоприёмников для воздушной среды; они находят широкое применение и в звукотехнике. В лаб. практике, а также в дешёвых системах оповещения используются пьезоэлектрич. M., в основе к-рых находится пьезоэлектрический преобразователь с пьезоэлементом либо биморфного типа, совершающим изгибные колебания под действием звукового давления, либо в виде пьезокерамич. сферы или цилиндра. Пьезоэлектрич. измерит. M. выполняют в виде приёмников давления, градиентных и комбинированных. Весьма перспективными как для измерит, целей, так и для звукотехники представляются пьезоэлектрич. M. на основе пьезо-полимерных преобразователей, отличающиеся малым весом и (потенциально) широким частотным диапазоном.

Литература по микрофонам

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.