Mikrofon (z řeckého μικρός - malý, φωνη - hlas) je elektroakustické zařízení, které převádí akustické vibrace na elektrický signál .
V Bellově telefonu mikrofon jako samostatná jednotka chyběl, jeho funkci plnila elektromagnetická kapsle , která kombinovala funkce mikrofonu a telefonní kapsle. Prvním zařízením používaným pouze jako mikrofon byl uhlíkový mikrofon Edison , na jehož vynález se v roce 1878 také nezávisle nárokovali Heinrich Mahalsky a v roce 1883 Pavel Golubitsky . Jeho působení je založeno na změně odporu mezi zrny uhelného prášku při změně tlaku na jejich celek.
Kondenzátorový mikrofon vynalezl inženýr Bell Labs Edward Christopher Wente v roce 1916 . V něm zvuk působí na tenkou kovovou membránu a mění vzdálenost mezi membránou a kovovým pouzdrem. Kondenzátor tvořený membránou a tělesem tedy mění kapacitu. Pokud je na desky aplikováno konstantní napětí, změna kapacity indukuje proud přes kondenzátor, čímž se vytvoří elektrický signál ve vnějším obvodu.
Stále oblíbenější jsou dynamické mikrofony , které se od uhlíkových liší mnohem lepší linearitou a dobrými frekvenčními vlastnostmi a od kondenzátorových přijatelnějšími elektrickými vlastnostmi. První dynamický mikrofon byl páskový elektrodynamický mikrofon vynalezený v roce 1924 německými vědci Erlachem a Schottkym . Do magnetického pole umístili vlnitý pásek velmi tenké (asi 2 mikrony) hliníkové fólie. Takové mikrofony se pro svou extrémně širokou frekvenční charakteristiku stále používají při studiovém nahrávání , ale jejich citlivost je nízká, výstupní impedance velmi malá (zlomky ohmů), což značně komplikuje konstrukci zesilovačů. Dostatečná citlivost je navíc dosažitelná pouze s velkou plochou pásky (a tedy i velikostí magnetu), v důsledku toho jsou takové mikrofony větší a těžší než všechny ostatní typy.
Piezoelektrický mikrofon , navržený sovětskými vědci S. N. Rževkinem a A. I. Jakovlevem v roce 1925 , má jako snímač akustického tlaku destičku z látky s piezoelektrickými vlastnostmi . Práce jako tlakový senzor umožnila vytvoření prvních hydrofonů a záznam zvuků ultranízké frekvence charakteristických pro mořský život.
V roce 1931 vynalezli američtí inženýři Vente a Teres ( Albert L. Thuras ) dynamický mikrofon s cívkou nalepenou na tenké polystyrénové nebo fóliové membráně. Na rozdíl od pásku měl výrazně vyšší výstupní impedanci (desítky ohmů a stovky kiloohmů), dal se vyrábět v menších velikostech a je reverzibilní. Zlepšení vlastností těchto konkrétních mikrofonů v kombinaci s vylepšením zvukového zesilovače a zařízení pro záznam zvuku umožnilo rozvoj nahrávacího průmyslu nejen ve studiových podmínkách. Vytvoření malých rozměrů (i přes hmotnost permanentního magnetu potřebného k ovládání mikrofonu), stejně jako extrémně citlivých a vysoce směrových dynamických mikrofonů, výrazně změnilo myšlenku soukromí a dalo vzniknout řada změn v legislativě (zejména o používání odposlouchávacích zařízení).
Vyvinuté elektromagnetické mikrofony přitom na rozdíl od elektrodynamických mají permanentní magnet upevněný na membráně a pevnou cívku. Vzhledem k absenci přísných požadavků na hmotnost cívky (typické pro dynamické mikrofony), byly takové mikrofony vyrobeny s vysokou impedancí a někdy měly vícenásobné cívky, což je činilo univerzálnějšími. Tyto mikrofony spolu s piezoelektrickými mikrofony umožnily vytvořit účinná naslouchátka a také hrdelní telefony .
Elektretový mikrofon , vynalezený japonským vědcem Yoguchi na počátku 20. let 20. století, se principem činnosti a konstrukcí blíží kondenzátorovému mikrofonu, nicméně elektretová deska funguje jako pevná kondenzátorová deska a zdroj konstantního napětí . Takové mikrofony byly dlouhou dobu poměrně drahé a jejich velmi vysoká výstupní impedance (jako kondenzátorové, jednotky megaohmů a vyšší) si vynutila použití výhradně elektronkových obvodů. Vytvoření tranzistorů s efektem pole vedlo ke vzniku extrémně účinných, miniaturních a lehkých elektretových mikrofonů v kombinaci s tranzistorovým předzesilovačem s efektem pole sestaveným ve stejném pouzdru.
Princip činnosti mikrofonu spočívá v tom, že tlak zvukových vibrací vzduchu, vody nebo pevné látky působí na tenkou membránu mikrofonu. Vibrace membrány zase vybudí elektrické vibrace; v závislosti na typu mikrofonu se využívá jevu elektromagnetické indukce, změny kapacity kondenzátorů nebo piezoelektrického jevu .
Vlastnosti akusticko-mechanického systému silně závisí na tom, zda akustický tlak působí na jednu stranu membrány (tlakový mikrofon) nebo na obě strany a v druhém případě na tom, zda je tento účinek symetrický (mikrofon s tlakovým gradientem) nebo na jednu stranu. vibrací membrány, které ji přímo vybudí, a na druhé - projdou jakýmkoliv mechanickým nebo akustickým odporem nebo systémem časového zpoždění (asymetrický tlakový gradientní mikrofon).
Velký vliv na vlastnosti mikrofonu má jeho mechanoelektrická část.
Srovnávací charakteristiky hlavních typů mikrofonů (zastaralé údaje z TSB 1967):
| Typ mikrofonu | Vnímaný frekvenční rozsah, Hz | Nerovnoměrnost frekvenční odezvy, dB | Axiální citlivost při frekvenci 1 000 Hz, mV / Pa |
|---|---|---|---|
| Karbonický | 300-3400 | dvacet | 1000 |
| Typ elektrodynamické cívky | 100–10 000 (1 třída) 30–15 000 (vyšší třída) |
12 | 0,5 ~1,0 |
| Elektrodynamický typ pásu | 50-10 000 (1. třída) 70–15 000 (vyšší třída) |
deset | jeden 1.5 |
| kondenzátor | 30-15 000 | 5 | 5 |
| Piezoelektrický | 100-5000 | patnáct | padesáti |
| Elektromagnetické | 300-5000 | dvacet | 5 |
Mikrofony jakéhokoli typu jsou hodnoceny podle následujících charakteristik :
Citlivost mikrofonu je dána poměrem napětí na výstupu mikrofonu k akustickému tlaku Р 0 , zpravidla ve volném zvukovém poli [1] , tedy bez vlivu odrazných ploch [ 2] . Když se sinusová zvuková vlna šíří ve směru pracovní osy mikrofonu, tento směr se nazývá axiální citlivost:
M0 = U/P0 (мВ/Па).
Pracovní osa mikrofonu je směr jeho primárního použití a obvykle se shoduje s osou symetrie mikrofonu. Pokud konstrukce mikrofonu nemá osu symetrie, je směr pracovní osy uveden v technických specifikacích. Citlivost moderních mikrofonů se pohybuje od 1–2 (dynamické mikrofony) do 10–15 (kondenzátorové mikrofony) mV/Pa. Čím větší je tato hodnota, tím vyšší je citlivost mikrofonu.
Mikrofon s citlivostí -75 dB je tedy méně citlivý než -54 dB a mikrofon s označením 2 mV/Pa je méně citlivý než 20 mV/Pa. Pro orientaci: −54 dB je stejné jako 2,0 mV/Pa. Je třeba také vzít v úvahu, že pokud má mikrofon menší citlivost, vůbec to neznamená, že je horší.
Frekvenční odezva citlivosti (FCC) je závislost axiální citlivosti mikrofonu na frekvenci zvukových vibrací ve volném poli. Plochost frekvenční odezvy se typicky měří v decibelech jako dvacet logaritmů (základ 10) poměru citlivosti mikrofonu na konkrétní frekvenci k citlivosti na referenční frekvenci (typicky 1 kHz).
Vliv zvukového pole mikrofonu se odhaduje pomocí akustické charakteristiky, která je určena poměrem síly působící na membránu mikrofonu a akustického tlaku ve volném zvukovém poli: A = F/P, ale protože citlivost mikrofonu M = U/P lze reprezentovat jako U/P = U / F • F / P a vyjádřit přes A. Pak dostaneme: M = A • U / F. Poměr napětí na výstupu mikrofonu k síla působící na membránu U / F charakterizuje mikrofon jako elektromechanický měnič. Akustická odezva určuje směrovou charakteristiku mikrofonu. Podle typu akustických charakteristik a následně i směrových charakteristik se rozlišují tři typy mikrofonů jako přijímače zvuku: tlakové; tlakový gradient; kombinovaný.
| tlakové přijímače | |
| Všesměrový | |
| přijímače tlakového gradientu | |
| Obousměrná "osmička" | |
| kombinovaný | |
| Kardioidní | |
| Hyperkardioidní | |
Směrová charakteristika je závislost citlivosti mikrofonu na směru dopadu zvukové vlny vzhledem k ose mikrofonu. Je určena poměrem citlivosti Mα, když zvuková vlna dopadá pod úhlem α vzhledem k akustické ose mikrofonu, k jeho axiální citlivosti:
φ = Ma /M 0Směrovost mikrofonu se týká jeho možné polohy vzhledem ke zdrojům zvuku. Pokud citlivost nezávisí na úhlu dopadu zvukové vlny, tedy φ = 1, pak se mikrofon nazývá všesměrový a zdroje zvuku mohou být umístěny kolem něj. A pokud citlivost závisí na úhlu, pak by zdroje zvuku měly být umístěny v prostorovém úhlu, v rámci kterého se citlivost mikrofonu jen málo liší od axiální citlivosti.
Všesměrové mikrofonyU všesměrových mikrofonů - tlakových přijímačů - je síla působící na membránu určena akustickým tlakem na povrchu membrány. Zvukové pole může působit pouze na jednu stranu membrány. Druhá strana je konstrukčně chráněna. Pokud jsou rozměry mikrofonu malé ve srovnání s vlnovou délkou zvuku, pak mikrofon nemění zvukové pole. Pokud jsou rozměry úměrné vlnové délce, pak díky difrakci zvukových vln získá mikrofon směrovost. Při frekvencích od 5000 Hz a níže jsou takové mikrofony všesměrové. Výhodou všesměrových mikrofonů je jednoduchost konstrukce, výpočet kapsle a stabilita charakteristik v čase. Všesměrové kapsle se často používají jako součást měřicích mikrofonů, v běžném životě je lze použít pro záznam rozhovoru lidí sedících u kulatého stolu.
Obousměrné mikrofonyU přijímacích mikrofonů s tlakovým gradientem je síla působící na pohybující se mikrofonní systém určena rozdílem akustického tlaku na dvou stranách membrány. To znamená, že zvukové pole působí na dvě strany membrány. Směrová charakteristika má tvar osmičky.
Dvoustranné mikrofony jsou vhodné například pro záznam rozhovoru mezi dvěma účastníky, kteří sedí proti sobě. Jejich použití je také výhodné v nahrávacích studiích při nahrávání hlasu při současném hraní na nástroje - protože ořezávají zvuky, které se vymykají tomu hlavnímu, stejně jako u některých metod záznamu stereo zvuku ( technologie Blumlein ).
Jednosměrné mikrofonyJednosměrné směrovosti je dosaženo u kombinovaných mikrofonů. Jejich vyzařovací diagramy se tvarem blíží kardioidnímu tvaru , proto se často nazývají kardioidní. Modifikace mikrofonů, které mají ještě menší směrovost než kardioidní, se nazývají superkardioidní a hyperkardioidní, ale tyto odrůdy jsou na rozdíl od kardioidního mikrofonu citlivé i na signály z opačné strany.
Tyto mikrofony mají určité výhody v provozu: zdroj zvuku je umístěn na jedné straně mikrofonu v dosti širokém prostorovém úhlu a mikrofon nevnímá zvuky šířící se mimo něj.
Ekvivalentní hladina hluku . V souladu s mezinárodními standardy je hladina vlastního šumu mikrofonu definována jako hladina akustického tlaku, která vytváří na výstupu mikrofonu napětí rovné napětí, které v něm vzniká pouze díky vlastnímu šumu při absenci zvukového signálu. . Lze jej vypočítat pomocí vzorce
L pE \u003d 20 lg U w / Sρ0,
kde:
U w - druhá odmocnina rozdílu druhých mocnin hodnot napětí na výstupu zkušební stolice podle GOST 16123-88 (IEC 60268-4), měřená s připojeným mikrofonem a při jeho výměně za rezistor - ekvivalent odporového modulu zkoušeného mikrofonu,
S je citlivost mikrofonu při frekvenci 1000 Hz, ρ0=2×10 −5 Pa.
Metody měření tohoto parametru se v různých normách poněkud liší, takže v moderních katalozích jsou obvykle uvedeny dvě hodnoty ekvivalentní hladiny hluku: podle DIN 45 412 (IEC 60268-1) a podle DIN 45 405 ( CCIR 468-3). V prvním případě je při měření použita váhová standardní křivka A. Ve druhém případě je použit jiný tvar váhové křivky (psychometrická křivka 468) a rozdíl je v technice vhodnější pro měření mikrofonů.
Pro mikrofony existují různé typy zvukových filtrů: polyuretanové překryvy, pop filtry , zvuk tlumící boxy a kapsle (mřížky).
Mikrofon s odstraněným čelním sklem
Pop filtr
Fur filtr (hovorově "pes"; v angličtině se podle velikosti používají výrazy "dead cat" (mrtvá kočka) nebo "dead kitten" (mrtvé kotě). Nejúčinnější filtr hluku větru. Nasazuje se na tuhý plášť "zepelin".
Mikrofonní mřížka ("koš") filtrující zvuk přicházející do mikrofonní kapsle z větru (foukání)
Většina mikrofonů je připojena k audio zařízení. Kabelové připojení mikrofonu k audio zařízení může být pevné nebo odnímatelné . Nejčastěji se používá odpojitelné připojení. Dlouhá léta se při pódiových vystoupeních, konferencích a podobně používaly drátové mikrofony, které jsou nenáročné a snadno se ovládají. Profesionální mikrofony mají třívodičové symetrické připojení ( konektory XLR ), které snižuje rušení a rušení. Aby kondenzátorové mikrofony fungovaly, audio zařízení musí mít phantomové napájení .
Existují i sofistikovanější zařízení - rádiové mikrofony (bezdrátové mikrofony, rádiové systémy) - které drátovým mikrofonům konkurují, i když je zcela nevytlačují (využívají se i pro vystupování na pódiu, na konferencích). Uvnitř takového mikrofonu je rádiový vysílač , který vysílá zvuky rádiem do blízkého rádiového přijímače ( přijímače ) prostřednictvím vnitřní antény (některé bezdrátové mikrofony mají také externí anténu; přijímač musí mít externí anténu). Pracovní frekvence přijímače přesně odpovídá pracovní frekvenci mikrofonního vysílače (pracovní frekvence se měří v megahertzech (MHz, MHz) a může dosahovat několika stovek jednotek - jedná se o VHF rádiovou komunikaci (nebo FM; někdy „FM bezdrátový mikrofon “ je uvedeno v technickém popisu. Přijímač je připojen k audio zařízení kabelem, přičemž sám je napájen ze sítě .
Hlavní výhodou rádiových mikrofonů je, že na rozdíl od drátových mají sice omezený výkon vysílače, ale větší volnost pohybu. Nevýhodou je poměrně časté vybíjení baterií ( baterií ) [3] .
Rádiové mikrofony jsou k dispozici pro domácí i profesionální použití. Ty pro domácnost obvykle fungují na principu "plug and play " ("plug and play") a mají pouze nastavení výstupní hlasitosti. U profesionálních sériových rádiových systémů můžete na přijímači i na mikrofonu samotném nastavit požadovaná nastavení signálu pro každý konkrétní mikrofon (jiné názvy: kalibrace, rozladění), což umožňuje, aby jeden přijímač někdy obsluhoval 10 nebo více rádiových mikrofonů najednou, v kvalita signálu a přenášených zvuků je navíc mnohem vyšší než u domácích, a proto se profesionální rozhlasové mikrofony na koncertech tak dobře osvědčily. Existují také digitální mikrofonní rádiové systémy ze stejné profesionální řady.
Nejznámějšími výrobci profesionálních rádiových mikrofonů jsou Sennheiser , Beyerdynamic ( Německo ) a Shure ( USA ) . .
Na obrázku je jako příklad rádiový mikrofon Nady DKW-Duo. Když je na koncertě zapojeno několik rozhlasových mikrofonů, jsou obvykle přetočeny elektrickou páskou pro barevné značení (jako na fotografii), protože jsou vzhledově identické (pokud jsou stejného typu a řady) [4] .