Mikrofonai

TURINYS
1. Įvadas
1.1. Bendrosios mikrofonų savybės
2. Elektrodinaminiai mikrofonai
3. Elektrodinaminiai juosteliniai mikrofonai
4. Elektrostatiniai mikrofonai
5. Priedai
6. Informacijos šaltiniai

1. ĮVADAS

1.1 pav. Mikrofonas (realiai)
Mikrofonas – garso slėgio imtuvas. Jo ypatybė – membrana yra veikiama garso slėgio tiktai frontaline kryptimi, o kitą jos pusę ekranuoja mikrofono korpusas. Mikrofonas konstruojamas taip, kad jo skersmuo D daug mažesnis už jo priimamos, vyraujančios bangos ilgį λ,. Tokiu atveju galima priimti, kad kintantis garso slėgis, akustinių virpesių sukuriamas garso lauke, vienodai veiks mikrofono membraną tą pačia faze visame membranos plote S. Garso bangos, krentančios ant membranos kitomis kryptimis, dėl mažo santykio D/λ,, lyyg tai apteka mikrofono korpusą ir ant membranos patenka su sinfaziškai su frontalinėmis. Tai reiškia, kad mikrofonas yra nekryptinio veikimo. Jo kryptingumo charakteristika – rutulys, kurio centre yra mikrofonas. Toks nekryptingumas praktiškai būdingas tik žemų ir vidutinių dažnių srityje. Aukštų dažnių srityje, trumpėjant bangos ilgiui, santykis D/λ, artėja prie vieneto ir atsiranda kryptingumas.

1.1 BENDROSIOS MIKROFONŲ SAVYBĖS
Naudojama daug rūšių mikrofonų besiskiriančių tarpusavyje veikimo principu ir savybėmis. Mikrofonai gali būti klasifikuojami pagal įvairius požymius: pagal akustinių (garso) signalų (virpesių) transformavimo į elektrinį signalą principą; garso viirpesių poveikio į membraną būdą; konstrukciją; funkcinę paskirtį; sudėtingumo grupę; eksploatacijos reikalavimus ir panaudojimo sritį bei kitus.
Pagal veikimo principą galima išskirti: elektrodinaminius su ritėmis arba juostelėmis, elektromagnetinius, elektrostatinius, anglinius, pjezoelektrinius ir puslaidininkinius. Elektrodinaminių yra labai įvairių: su judančiomis ritelėmis ir su ju

udančiomis juostelėmis bei sudaro labai plačią gaminamų mikrofonų gamą. Prie elektrostatinių priskiriami kondensatoriniai ir elektretiniai mikrofonai, kuriuos pagrindinai naudoja profesionalai. Jie labai jautrūs ir su gera dažnių charakteristika.
Pagal garso slėgio poveikį į mikrofono membraną yra skiriama: garso slėgio, garso slėgio gradiento, kombinuoti – garso slėgio ir garso slėgio gradiento. Šis mikrofonų požymis nulemia ne tik jų kryptingumo charakteristiką bet ir mikrofonų išdėstymą garso šaltinių atžvilgiu.
Pagal parametrų kokybę yra skiriami: matavimo mikrofonai, nulinės klasės skirti profesionaliam naudojimui, 1-os , 2-os, 3-os klasės skirti buitiniams poreikiams.
Pagal kryptingumo charakteristiką mikrofonai skirstomi į keturis tipus: apskritiminės diagramos; dviejų krypčių aštuoniukės pavidalo diagramos (kosinusinė poliarinė charakteristika); kardioidinės diagramos; vienkryptės diagramos (superkardioidinės arba hiperkardioidinės).

Mikrofonų savybės yra nusakomos visa eile parametrų:
1) jautrumas – tai santykis įtampos mikrofono išėjime su garso slėgiu, veeikiančiu mikrofoną ( Uiš/Pgar), matavimo vienetai μV/Pa;
2) standartinis jautrumo lygis – nominalios įtampos, išvystytos ant nominalios varžos, santykis su įtampa, atitinkančia 1mW galią, kai garso slėgis į mikrofoną yra l Pa (Uiš/U1mw), išreikštas decibelais;

3) mikrofono kryptingumo diagrama – mikrofono jautrumo įvairiomis kryptimis santykio su jautrumu ašine kryptimi diagrama;
4) mikrofono dinaminis diapazonas – tai skirtumas tarp nominalaus leistino garso slėgio ir nuosavu triukšmų lygio;
5) pilnosios elektrinės varžos modulis – noruota išėjimo arba vidinės varžos reikšmė esant 1kHz dažniui;
6) nominalus dažnių diapazonas- dažnių diapazonas, kuriame mikrofonas transformuoja akustinius virpesius į elektrinį signalą ir kuriame yr

ra normuojami jo parametrai;
7) amplitudinės dažninės charakteristikos netolygumas;
8) nominali elektrinė varža – aktyvinė varža, kuria pakeičiamas elektroakustinis įtaisas (mikrofonas) nustatant į jį paduodamam elektriniam galingumui;
9) nuosavų triukšmų lygis – decibelais išreikštas santykis įtampos, kurią sukuria slėgio fliuktuacijos aplinkoje šiluminiai triukšmai įvairiose mikrofono grandinėse, efektyvios reikšmės su įtampa išvystoma mikrofono apkrovoje kai slėgis 1 Pa ir kai mikrofoną veikia naudingas 0,1 Pa efektyvaus slėgio signalas;
10) mikrofono kryptingumas – mikrofono jautrumo santykis su jo ašiniu jautrumu;
11) mikrofono kryptingumo koeficientas – mikrofono jautrumo darbo ašies kryptimi kvadrato santykis su vidutinio visomis kryptimis jautrumo kvadratu dažniams F.
12) dažnių charakteristika – jautrumo arba jo lygio ašyje priklausomybė nuo dažnio.

Mikrofonuose – garso slėgio gradiento imtuvuose akustiniai virpesiai veikia į abi membranos puses, tačiau taip, kad bangoms, krintančioms ant membranos vidinės pusės, sudaromas papildomas kelias ∆x, atžvilgiu garso bangos, krintančios ant frontalinės membranos pusės. Todėl priešingose membranos pusėse susidaro garso slėgių skirtumas su fazės poslinkiu ∆Ψ.
Tegul membranos storis d. Garso banga, pasiekianti nugarinę membranos pusę, turi praeiti papildomą kelią ∆x = dcosθ. Kadangi galioja sąlyga ∆Ψ/2π = ∆x/λ, tai ∆Ψ = 2dπcosθ/λ. Kadangi F = pg S, tai membraną veikianti suminė jėga bus
F ≈ pg • S • ∆Ψ = 2π • Spg (dcosθ) λ.
Iš formulės matosi, kad bangai simetriškai pasiekiant abi membranos puses, mikrofono kryptingumas taip pat simetriškas su kosinusiniu pasiskirstymu. Maksimalus jautrumas būna kai kampas θ = 0° ir 180° , o minimalus – kai θ = 90° ir 270°. Tokius mikrofonus vadina dvikrypčiais.
Jėga F

mažėja didėjant bangos ilgiui, todėl žemų dažnių srityje mikrofono jautrumas turėtų mažėti . Tačiau kelio pailgėjimas ∆x visoms bangoms, patenkančioms ant vidinės membranos pusės, sukelia papildomą jų slopinimą. Todėl padidėja skirtumas ∆pg, kas dalinai kompensuoja nurodytą jautrumo sumažėjimą žemuose dažniuose. Be to arti garso šaltinio garso bangos nėra plokščios. Jas reikia nagrinėti kaip sferines, todėl mikrofonui artėjant prie garso šaltinio garso slėgis auga. Todėl žemuose dažniuose dar labiau išauga mikrofono jautrumas arti šaltinio (praktiškai arčiau 1 m). Aukštų dažnių srityje bangų ilgiai tampa artimi mikrofono matmenims, sutrinka priimamų bangų sinfaziškumas išilgai membranos ir jautrumas sumažėja. Dažnių charakteristikos išlyginimui naudoja mikrofono grandžių dažnių korekciją, o stato reikiamu atstumu nuo garso šaltinio. Yra ir asimetrinių garso slėgio gradiento mikrofonų, kurių jautrumas iš prieakio ir iš nugaros ateinančioms bangoms yra skirtingas.
Kombinuotiems mikrofonams būdingas vienakryptiškumas. Tas pasiekiama kombinuojant gradientinių mikrofonų dvikryptę charakteristiką su nekryptine, būdinga garso slėgio imtuvui. Tokia sintezė paprasčiausia, sumaišant abiejų tipų mikrofonų elektrinius signalus. Mikrofonai sugretinami ir suderinamos jų akustinių ašių lygiagretumas.
Nuosekliai sujungiant mikrofonų apkrovas suminis jautrumas gaunamas lygus:
Es + Egr cos θ,
čia Es- slėgio mikrofono jautrumas, Egr- slėgio gradiento mikrofono jautrumas. Bendru atveju kai Es = Egr, kryptingumo charakteristika apskaičiuojama taip:
R(θ)=1 + cos θ.
Kai Es ≠ Egr galima gauti įvairios formos kryptingumo diagramą:
1. apskritimą;
2. kosinusinę –
dvikrypte;
3. kardioidę, superkardioidę;
4. hiperkardioidę.
Formuojant sudėtingą kryptingumo diagramą be naudingo priešakinio lapelio gaunasi ir nepageidautinas užpakalinis lapelis. Dėl to sumažėja jautrumo skirtumas kryptimis “frontas – užnugaris” . Vidutinių ir aukštų dažnių srityse mikrofono matmenys ženkliai įtakoja į realias kryptingumo, jautrumo nuo dažnio charakteristikas bei kitus parametrus.

1.1.2 pav. Mikrofonų dažninė charakteristika (MD – 78)

1.1.3 pav. Schematiškai yra parodytai garso šaltinis (Š) ir mikrofonas (M). Mikrofono ir garso šaltinio tarpusavio išdėstymas nustatomas trejais būdais:
• α kampu tarp tiesės, einančios per garso šaltinį ir mikrofoną ir mikrofono akustinės ašies;
• garso šaltinio kryptingumo charakteristika (β kampu tarp Š M tiesės ir garso šaltinio akustinės ašies)
• Atstumu tarp mikrofono ir garso šaltinio L.

2. ELEKTRODINAMINIAI MIKROFONAI
Elektrodinaminių mikrofonų grupei priskiriami mikrofonai su judančiomis ritėmis ir juostelėmis. Pagal garso slėgio poveikį jie gali būti :
1. slėgio imtuvai;
2. slėgio gradiento imtuvai;
3. kombinuoti.

Mikrofono konstrukcijos pagrindą sudaro pastovus magnetas, vadinamas šerdimi, ir membrana prie kurios pritvirtinta ritė, judanti atžvilgiu magneto, veikiant akustinėms bangoms į membraną.
Mikrofonas apkraunamas aktyvinę varža, suderinta su vidine mikrofono varža, tiesiogiai arba per suderinimo transformatorių. Vidutinių dažnių juostoje Z ≈ Ri ir toje dažnių diapazono dalyje mikrofono jautrumas apytikriai pastovus. Aukštų dažnių srityje bangos ilgis mažėja ir jis artėja prie mikrofono diafragmos matmenų ir jautrumas mažėja, nes pradeda jaustis fazės poslinkis nuo centro link membranos kraštų, pradedami jausti ir garso lauko iškraipymai dėl bangų atspindžio nuo mikrofono korpuso. Žemų dažnių srityje jautrumas mažėja, nes pradeda reikštis mikrofono judančios dalies inertiškumas. Sistemoje, kurią sudaro membrana su rite, gofruotos pakabos lankstumas ir mechaninė varža (oro trintis judant ritei), paprastai pasireiškia mechaninis rezonansas, kurio dažnis būna aukštesnis, nei reikėtų, kad išliktų pastovus jautrumas žemų dažnių srityje. Kad paslinkti nuosavo rezonanso dažnį dar žemesnių dažnių link reikia didinti membranos su rite pakabos lankstumą, tačiau tokią konstrukciją sunku pagaminti, membranos masę didinti nepageidautina, nes tai didintų inertiškumą. Todėl pagrindinė mechaninė virpesių sistema papildoma akustiniu rezonatoriumi. Vidinėje mikrofono dalyje, veikiant virpesiams kaupiasi suspaudžiamo oro energija. Taigi tuo pačiu sistemoje susidaro lyg tai papildomas lankstus elementas, į kurį galima žiūrėti kaip į vidinį šaltinį. Akustinį rezonatorių galima sudaryti šerdyje išgręžiant kanalus, sujungiančius uždarą erdvę su vidiniu magnetinės sistemos oro tūriu.
Mikrofono slėgio imtuvo jautrumas, kai yra suderinimo transformatorius paskaičiuojamas taip:
E = n(Kr S /zm+Kr)* zλ/zk*zλ
čia s – veiksmingas membranos paviršius; zm – mikrofono nuosava mechaninė varža; zk – įnešta mechaninė varža; za- mikrofono apkrovimo varža iš elektrinio išėjimo pusės; z – mikrofono elektrinė varža.

n = √Ra/Ri;
Ra = varža, šuntuojanti mikrofoninio stiprintuvo transformatoriaus pirmine apviją;
Rį- garso ritės varža; Kr=B *l (B – magnetinė indukcija, l – ritės laido ilgis).
Rezonanso paslinkimui link žemesniųjų dažnių reikia didinti membranos pakabos lankstumą.

Elektrodinaminiai mikrofonai – garso slėgio gradiento imtuvai skiriasi nuo garso slėgio imtuvų konstrukcija, nes jų korpuso gale yra kiaurymės, per kurias garso bangos patenka ir ant vidinės membranos pusės.
Darant sudėtingą elektrodinaminių mikrofonų konstrukciją su keliais akustiniais rezonatoriais gaunama palyginti tolydi dažninė charakteristika. Kombinuojant akustinius rezonatorius ir filtrus. darant asimetriškus vidinius garsolaidžius, galima pagaminti labai kryptingus mikrofonus.
Elektrodinaminių mikrofonų su ritėmis geros eksploatacinės savybės. Jie apsaugoti nuo mechaninių poveikių, nejautrūs temperatūros ir drėgnumo pokyčiams.

3. ELEKTRODINAMINIAI JUOSTELINIAI MIKROFONAI

Juostelinių mikrofonų veikimo principas praktiškai nesiskiria nuo elektrodinaminių mikrofonų su ritele veikimo principo, tačiau konstrukcija skiriasi žymiai. Tokių mikrofonų magnetinė sistema yra pasagos formos. Galai, tarp kurių įtaisyta plona gofruota, labai lanksti ir stipri juostelė, plokšti ir tarpusavyje lygiagretūs. Ši juostelė esti lygiagreti magnetinio lauko linijoms, korpusas sukonstruotas taip, kad garso bangos kristų statmenai į juostelę. Į juostelę veikiant garso bangom, ji juda magnetiniame ir joje atsiranda evj, analogiškai kaip ir ritelėje. Kadangi juostelė neilga tai ir atsirandanti evj yra nedidelė, todėl betarpiškai mikrofone įtaisomas didelio transformavimo koeficiento suderinimo transformatorius. Pagal garso slėgio poveikį į juostelę būna: garso slėgio ir garso slėgio gradiento juosteliniai mikrofonai. Tokie mikrofonai palyginti jautrūs ir pakankamai geromis dažnių charakteristikomis. Juostelinių mikrofonų judančios sistemos nuosava masė ypač maža, o juostelė labai lanksti. Todėl judančios dalies inercija žymiai mažesnė nei mikrofonų su ritele. Juostelės storis paprastai būna 2 – 2,5 mkm, plotis 2 mm, o ilgis 25 – 50 mm. Todėl juosteliniai mikrofonai gerai reaguoja į greitai kintančius pereinamuosius procesus, sukelia labai mažus netiesinius iškraipymus, geros savybės žemų dažnių srityje. Tačiau jie jautrūs mechaniniams poveikiams ir reikia eksploatuoti atsargiai.

Kombinuojant juostelinius garso slėgio gradiento mikrofonus su garso slėgio imtuvais — mikrofonais su ritelėmis galima pagaminti mikrofonus su reguliuojamu kryptingumu.

4. ELEKTROSTATINIAI MIKROFONAI

Didelę grupę mikrofonų sudaro elektrostatiniai mikrofonai, iš kurių plačiausiai naudojami kondensatoriniai ir elektretiniai mikrofonai.
Kondensatorinių mikrofonų veikimas pagrįsta talpumo kitimu, kuris atsiranda garso bangų virpesiams veikiant į mikrofono membraną. Mikrofono korpusas tarnauja viena kondensatoriaus plokštele, o kita plokštele – metalinė arba metalizuota membrana, izoliuota nuo korpuso. Taigi mikrofono konstrukcija sudaro plokščią kondensatorių, prie kurio elektrodų per apkrovimo varžą prijungiamas nuolatinės įtampos šaltinis. Garso bangoms .virpinant membraną, keičiasi kondensatoriaus talpa ir grandinėje pradeda tekėti talpos srovė ir apkrovimo varžoje atsiranda elektrinis signalas, forma atkartojantis membranos virpesius. Konstruojami garso slėgio, garso slėgio gradiento ir kombinuoti kondensatoriniai mikrofonai. Viena iš šių mikrofonų ypatybių yra didelė apkrovimo varža ( daugiau 10 8 Ω), todėl pirmas stiprintuvo laipsnis montuojamas tiesiog mikrofono korpuse ir jame parastai naudojamas lauko tranzistorius.

Kombinuotuose elektriškai galima valdyti kryptingumo diagramos formą:
1. apskritiminė;
2. dvipusė kosinusoidė;
3. kardioidė.
Elektretinių mikrofonų konstrukcija esmingai nesiskiria nuo kondensatorinių, tiktai membrana gaminama iš medžiagų su elektretinėmis savybėmis (su išankstine statine poliarizacija), todėl nereikalinga nuolatinės įtampos maitinimo šaltinis mikrofonui.
Elektrostatiniams mikrofonams būdinga:
1. perėjimų charakteristika su trumpu nusistovėjimo laiku;
2. glotni dažnių charakteristika palyginti plačiame dažnių diapazone;
3. didelis jautrumas, linijiškumas;
4. nedidelis svoris.

5. PRIEDAI
Mikrofonų jautrumas: kas slepiasi už skaičių?
Kas yra mikrofono jautrumas?

Jautrumas – tai santykis įtampos mikrofono išėjime su garso slėgiu, veikiančiu mikrofoną ( Uiš/Pgar), matavimo vienetai μV/Pa;

Kas yra “dB SPL”?

Terminas “dB SPL” – tai garso slėgio dydis (Sound Pressure Level, SPL), jėgos, kuria akustinės garso bangos veikia oro molekules. Kai kas nors dainuoja ar kalba, pats didžiausias garso slėgis prie jo burnos, toliau jis silpnėja, priklausomai nuo to, kaip garso bangos nutolsta nuo jo. Reikia žinoti tai, kad 0dB SPL – tai yra tyliausias garsas, kurį normali ausis gali išskirti, o 1dB – tai pats mažiausias garso lygio pasikeitimas, kurį gali atskirti žmogus. Pavyzdžiui, 1 metro atstumu normalios kalbos lygis yra 60dB SPL, o kalvio slėgtuvas trinksi 120dB SPL.

Kokia dB SPL įėjimo lygio dydžio esmė?

Mikrofonų gamintojai dažniausiai nurodo vieną arba du dB SPL įėjimo lygius: 74dB SPL arba 94dB SPL. Shure naudoja 74dB SPL, jeigu specifikacijoje nenurodytas kitas įėjimo dydis. Koks yra tų dB SPL dydžių santykis su realybe? 74dB – SPL tipinis garso intensyvumas 30cm atstumu nuo kalbančio. 94dB – tipinis garso intensyvumas 2-3cm atstumu nuo jo. Mikrofonas “girdi” šį garso intensyvumą ir pakeičia garso bangą į ekvivalentinį elektrinį signalą. Tam, kad nustatyti, koks SPL dydis naudojamas jautrumo matavimui, reikia sulyginti su mikrofono specifikacija. Sunkumai gali kilti dėl to, kad SPL gali matuotis skirtingais vienetais. Pavyzdžiui, 94dB SPL = 1Paskalis = 10mikrobarelių. O 74dB SPL = 0,1Paskalis = 1mikrobarelis. Deja, perkant mikrofoną, skirtingos firmos, nurodant SPL, naudoja įvairius matavimo vienetus. Bet naudojant aukščiau minėtus pakeitimus, galima pakeisti specifikacijas į dB SPL ir palyginti jas.

Ką reiškia “atviro kontūro įtampa”?

Pirmiausiai, “atviras kontūras” reiškia, kad mikrofonas niekur neprijungtas. Mikrofonas neturi elektrinio krūvio. Atviro kontūro įtampa rodo, kokia įtampa atsiranda mikrofono išėjime, kai tam tikras garso slėgis veikia jo diafragmą. Tipiniam mikrofonui tai sudaro 75dB V/mikrobarelis, dB/V reiškia, kad mikrofono išėjimo lygis kinta 1V atžvilgiu.

Jeigu įsivaizduoti mikrofoną su 1V išėjimo įtampa, jo lygis būtų 0dB. Neigiamas dB/V išėjimo lygis (-75), rodo, kad mikrofono išėjimo įtampa mažesnė negu 1V. (-75dB/V reiškia 0,00018V).

“Mikrobarelis” reiškia, kad mikrofonas buvo pratestuotas esant 74dB SPL įėjimo lygiui. Kad palygintume šio tipinio mikrofono jautrumą su kitu mikrofonu, pratestuoto esant 94dB SPL arba 1Paskaliui, prie reikšmės reikia pridėti 20dB: -75+20=-55dBV/Pa.

Kas yra mikrofono galia?

Tam, kad nustatyti mikrofono galią, jį prijungia prie apkrovos, lygios jo vidinei varžai. Į įėjimą paduodamas 94dB SPL signalas ir matuojama apkrovos išėjimo galia. Mikrofono galia, kaip parametras, praktiškai neturi jokios reikšmės šiuolaikinėje audio technikoje ir naudojamas labai retai.

6. INFORMACIJOS ŠALTINIAI
1. www.yandex.ru/mikrofony/htm
2. www.google.lt/mikrofonu/charakteristikos/htm
3. www.rambler.ru/tipy/mikrofonov/index.htm
4. Арсеньев В.В Микрофоны разных типов. МОСКВА. 2000г.

Leave a Comment