Микрофоны. 
Акустические средства измерений

Микрофон (от микро… и греч. phфnз — звук), электроакустический прибор для преобразования звуковых колебаний в электрические. Применяется в телефонии, радиовещании, телевидении, системах звукоусиления и звукозаписи.

Микрофон должен иметь достаточную чувствительность при выполнении измерений, малые нелинейные искажения в измерительном тракте и стабильную чувствительность. При внесении в звуковое поле микрофон должен мало искажать его. Испытания микрофонов регламентированы ГОСТ 16 123– — 70. «Микрофоны. Методы электроакустических испытаний».

На рис. 2.1 приведена классификация микрофонов по принципу электромеханического преобразования.

По направленности действия микрофоны подразделяются на ненаправленные, односторонне направленные (кардиоидные), двусторонне направленные и сложной формы направленности, а по характеру измеряемого параметра колебательного процесса — приемники давления, градиента давления и комбинированные.

Рис. 2.1. Классификация микрофонов по принципу электромеханического преобразования

Микрофон характеризуется следующими параметрами:

1) осевой чувствительностью, т. е. отношением эффективных значений развиваемого микрофоном напряжения и звукового давления в свободном поле при падении гармонической волны по направлению акустической оси микрофона; 2) направленностью, т. е. распределением чувствительности микрофона при падении звуковой волны под различными углами и отнесенной к его осевой чувствительности; приемники звука (аналогично акустическим излучателям) обладают направленностью, если их размеры соизмеримы или превышают длину звуковой волны;

Характеристики направленности микрофонов имеют вид (рис. 2.2.).

В конструкции приемника давления звуковые волны воздействуют только с одной стороны (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Конструкция приемника давления

В конструкции приемника градиента давления механическая система открыта с двух сторон (рис. 2.4.).

Рис. 2.4. Конструкция приемника градиента давления

Благодаря одинаковому давлению шума с обеих сторон происходит его компенсация, вследствие чего достигается эффект шумозащищённости.

• 3) коэффициентом направленности, которым является энергетическая характеристика, оценивающая суммарную характеристику направленности сравнительно с ненаправленным микрофоном;
• 4) уровнем собственных шумов микрофона N_m, определяемым относительно эффективного напряжения U₀ (при звуковом давлении 0,1 Па), возникающего под воздействием сигнала:

N_m = 20^. lg (U₀ / U_m),.

где U_m — напряжение помех при отсутствии полезного сигнала.

Зависимость указанных параметров от частоты определяет соответствующие частотные характеристики микрофона.

Ниже в таблице приведены усреднённые значения основных параметров отдельных видов микрофонов (в скобках указаны классы качества: Вк — высший, 1к — первый, 2к — второй, 3к — третий).

Электродинамический катушечный микрофон. Изобретен американскими учёными Э. Венте и А. Терас в 1931. Принцип действия микрофона основан на использовании явления электромагнитной индукции, т. е. возбуждение ЭДС при движении проводника в постоянном магнитном поле.

В конструкции микрофона имеется диафрагма из тонкой полистирольной плёнки или алюминиевой фольги, жестко связанная с катушкой из тонкой проволоки, находящейся в кольцевом зазоре магнитной системы (рис. 2.5). Катушка жестко связана с диафрагмой, которая закреплена на верхнем фланце с помощью гофрированного гибкого подвеса и может колебаться в зазоре только вдоль оси. Для создания постоянного магнитного поля используется кольцевой магнит и магнитопровод (верхний, нижний, фланец и керн) из мягких материалов (Ni, Fe).

При колебаниях диафрагмы под действием звуковой волны витки катушки пересекают магнитные силовые линии и в катушке наводится э.д.с., создающая переменное напряжение на её зажимах.

Рис. 2.5. Электродинамический катушечный микрофон

Развиваемое микрофоном напряжение повышается малогабаритным трансформатором, конструктивно объединенным с микрофоном. Чувствительность микрофона определяется:

B — индукцией в зазоре;

S — действующей поверхностью диафрагмы;

R_n — сопротивлением, шунтирующее обмотку входного трансформатора;

s — длиной и поперечным сечением проводника звуковой катушки;

— удельным сопротивлением проводника;

_r — частотой;

М — массой подвижной системы.

Нижний граница частотной характеристики ограничена увеличением массы катушки и увеличением гибкости подвеса. Для расширения полосы частот в конструкцию микрофона вводят дополнительный резонатор, размещенный в магнитопроводе (трубочка). При этом нижняя граница расширяется до 100 — 50 Гц, а верхняя граница — до 8000 — 1000 Гц. С использованием специальных материалов магнита и магнитопровода верхняя граница достигает до 15 000 Гц.

Электродинамические микрофоны широко распространены благодаря достаточно широкому диапазону частот (при неравномерности 4 дБ), низкому уровню шума и незначительным нелинейным искажениям. Благодаря этим качествам динамический диапазон микрофона находится в пределах 15−140 дБ. У электродинамических микрофонов небольшое внутреннее сопротивление, поэтому кабель, соединяющий микрофон с усилителем, не вносит заметных искажений в частотную характеристику. Катушечный микрофон прост по конструкции, имеет небольшие габариты, надёжен в эксплуатации.

К недостаткам микрофона относятся его восприимчивость к внешним магнитным полям, индуктирующим э.д.с. в катушке, способность притягивать мелкую стальную пыль и ограниченный интервал температуры и влажности, в пределах которых характеристики микрофона остаются неизменными.

Электродинамический ленточный микрофон. Изобретён немецкими учёными Э. Герлахом и В. Шотки в 1924. Роль диафрагмы выполняет проводник в виде тонкой гофрированной ленточки из очень тонкой (порядка 2 мкм) алюминиевой фольги, которая колеблется в постоянном магнитном поле. Ленточка может подвергаться воздействию звука как с одной, так и с обеих сторон. В первом случае — приемник давления, во втором — приемник градиента давления.

Конструкция ленточного микрофона (рис. 2.6) состоит из:

Рис. 2.6. Электродинамический ленточный микрофон

• 1) диафрагмы — ленточки 1 (алюминий гофрированный, резонансная частота 30 Гц; длина 5−10 см; сопротивление 1/10 Ом);
• 2) постоянного магнита 2 (индукция в зазоре B=1 Тл.);
• 3) полюсного наконечника 3 с окнами;
• 4) камеры;
• 5) лабиринта (длинная трубка, соединенная с камерой, свернутая в спираль или другим образом, заполненная поглощающим материалом (комки пощипанных нитей шелка), представляет собой акустический фильтр низких частот.
• 6) изоляционных планок 6, к которым крепится ленточка.

Обычно используется приемник градиента давления — под действием разности звуковых давлений ленточка колеблется в магнитном поле, силовые линии которого идут вскользь по ширине ленточки.

Полюсные наконечники образуют щель, в которой размещается ленточка. В них сделан ряд окон (отверстий), чтобы уменьшилась разность хода звуковых волн, действующую на ленточку с обеих сторон. Расстояние между отверстиями вместе с ленточкой 2a не превышает 1,7 см, что обеспечивает линейность чувствительности до 15 кГц.

Поскольку электрическое сопротивление ленточки мало (доли Ома), то для согласования с внешней цепью используется трансформатор с сопротивлением выходной обмотки 125 — 250 Ом. Стандартный уровень чувствительности — 57 дБ. Частотный диапазон микрофона составляет 50−16 000 Гц. Неравномерность частотной характеристики — не более 8дБ. Характеристика направленности микрофона — кардиоида.

Уязвимое место микрофона — ленточка, рвётся от сильного дуновения ветра. Поэтому микрофон применяется, главным образом, в помещениях (музыкальные студии и т. д.).

Конденсаторный микрофон. Изобретён американским учёным Э. Венте в 1917. Является лучшим среди других по своим качественным показателям.

Конструкция конденсаторного микрофона (рис. 2.7) представляет собой конденсатор, один из электродов которого массивный — 3, а второй тонкая натянутая мембрана — 1.

Рис. 2.7. Измерительный конденсаторный микрофон.

Диафрагма помещена над неподвижным плоским электродом, так что зазор — d между ними весьма мал. Диафрагма электрически соединена с корпусом микрофона и сильно натянута. Диафрагма, обладающая высокой упругостью, изготавливается либо из стальной фольги, покрытой слоем золота, либо из металлизированной полимерной плёнки и имеет толщину 2030 мкм. Зазор d составляет 2040 мкм.

Неподвижный электрод 3 изолирован от корпуса высококачественным изолятором (янтарь, кварц). Электроды через нагрузочное сопротивление R_н соединены с источником поляризующего постоянного напряжения U_о.

При колебаниях диафрагмы под действием внешнего акустического поля изменяется ёмкость С_о между диафрагмой и неподвижным электродом. А так заряд q остаётся постоянным из-за большой постоянной времени, то изменяется напряжение на нём ДU, равное э.д.с. от действия звукового давления на диафрагму. В результате изменения реактивного сопротивления цепи напряжение на выходе изменяется пропорционально смещению мембраны.

Особенностью микрофона является расположение усилителя в непосредственной близости от капсюля микрофона (С_о мало).

Область использования конденсаторного микрофона:

• 1) измерительные микрофоны с диапазоном частот Дf от 20ч30 Гц до 30ч40 кГц при неравномерности частотной характеристики до 1дБ в диапазоне до 10 кГц и 6дБ свыше 10 кГц;
• 2) высококачественные системы звукозаписи и звукопередачи в диапазоне частот Дf = 20 ч 20 000 Гц при неравномерности частотной характеристики 6дБ;
• 3) комбинированные приёмники с диапазоном частот Дf = 50 ч 15 000 Гц при неравномерности частотной характеристики 6дБ.

Выражение для чувствительности имеет вид:

E 4C₀C₁U₀ ,.

где С₀ — емкость конденсатора мембрана — неподвижный электрод;

С₁ — результирующая гибкость;

U₀— поляризующее напряжение.

Наружные диаметры эталонных микрофонов 23,77; 13,2 и 7 мм. Они обеспечивают преобразование звуковых волн в диапазоне частот от 2 Гц до 100 кГц.

Для конденсаторных микрофонов характерны постоянная чувствительность в широком диапазоне частот, малый уровень шума и незначительная зависимость чувствительности от температуры. Они являются точными измерительными приборами, поэтому с ними надо бережно обращаться. Наиболее уязвимой частью микрофона является мембрана, изготовленная электролитическим методом, толщиной порядка 2 — 6 мкм .

Для калибровки измерительных микрофонов применяют вспомогательные устройства — электростатистический возбудитель, пистонфон — калибратор, шариковый и тональный калибратор и др.

Технические требования к измерительным микрофонам изложены в государственном стандарте, в котором предусмотрена стандартизация характеристик измерительных микрофонов, методов их градуирования и областей применения ГОСТ 8.153.

Недостатки микрофона: микрофон чувствителен к сильному перепаду температур, со временем ослабевает натяжение мембраны, слабеет изоляция, появляется треск.

Электретный микрофон. Изобретённым японским учёным Ёгути в начале 20-х гг. 20 в. По принципу действия и конструкции схож с конденсаторным.

Роль неподвижной обкладки конденсатора и источника постоянного напряжения играет пластина из электрета. Поляризующее напряжение образовано предварительной электризацией одного из электродов, изготавливаемого из полимеров или керамических поляризующихся материалов. Такой электрод имеет металлическое покрытие, которое является электродом конденсатора, а электрет служит источником поляризующего напряжения. Частотный диапазон микрофона — 50 ч 15 000 Гц при неравномерности частотной характеристики 1015дБ, уровень собственного шума — 2738 дБ. Механические, акустические характеристики аналогичны конденсаторному микрофону.

Недостаток микрофона — старение электрета.

Пьезоэлектрический микрофон. Впервые сконструирован советскими учёными С. Н. Ржевкиным и А. И. Яковлевым в 1925. Также широко используются в акустических измерениях. Они прочнее конденсаторных, имеют малый вес и обладают более равномерной частотной характеристикой, чем электродинамические микрофоны, они дешевле микрофонов других типов.

В пьезоэлектрическом микрофоне используется явление пьезоэффекта: звуковые волны воздействуют на пластинку из пьезокристалла (например из сегнетовой соли), вызывая на её поверхности появление электрических зарядов — прямой пьезоэффект.

Существует две разновидности конструкции микрофона: ячейковая (рис. 2.8) и мембранная (рис. 2.10).

В конструкции ячейкового пьезомикрофона внутри прямоугольной рамки 1 (текстолит) размещают два биморфных элемента 2, разделённых прокладками 3 из вязкого материала (висколоид). На верхние и нижние поверхности рамки и пьезоэлементов наклеивается парафиновая бумага для механического скрепления и изоляции объёма 4.

Рис. 2.8. Ячейковый пьезомикрофон

Две пластинки биморфного элемента (рис. 2.9) склеиваются так, что электрическая поляризация противоположна. Если подать напряжения, то одна пластинка стремится растянуться, а другая сжаться. Но так как они склеены и не могут двигаться одна относительно другой, то совершаются колебания изгиба. Материалом для биморфных элементов служит пьезокерамика ТБК-3, ЦТС-19 и других материалов.

Рис. 2.9. Биморфный элемент

Частотный диапазон микрофона — 50 ч (7000 ч 8000) Гц при неравномерности частотной характеристики 6 дБ.

В конструкции мембранного пьезомикрофона (рис. 2.10) лёгкая коническая диафрагма 1 бумага, соединена вершиной конуса с биморфом 2, концы которого закреплены на опорах 3. Так как в механическую систему добавилась диафрагма, то частота механического резонанса системы ниже, чем у ячейкового микрофона. Современные пьезоэлектрические микрофоны обладают диапазоном частот 3…20 000 Гц и могут работать в интервале температур от -10 до +70 ⁰С. Пьезоэлектрические микрофоны имеют широкий круг применения и, в частности, используются в портативных шумомерах. Недостатки пьезомикрофона:

• 1) старение пьезоматериала;
• 2) зависимость характеристик от температуры;
• 3) высокое собственное ёмкостное сопротивление, дающее неравномерность частотной характеристики;
• 4) хрупкость;
• 5) сложность механической системы.

Рис 2.10. Мембранный пьезомикрофон.

Электромагнитный микрофон. В электромагнитном микрофоне конструкции приемника давления (рис. 2.11) звуковые волны воздействуют на диафрагму 3.

Рис. 2.11. Электромагнитный микрофон конструкции приемника давления

При колебании диафрагмы изменяется воздушный зазор 5 в магнитной цепи между диафрагмой 3 и полюсным наконечником керна 4. Изменение этого зазора приводит к модуляции магнитного потока, который создается постоянным магнитом 2, сделанным из высококоэрцитивных материалов (сплавы Al и Ni). Магнитный поток проходит через сердечник катушки, полюсный наконечник, воздушный зазор и диафрагму. Сердечник и диафрагму изготавливают из мягкого магнитного материала (FeNi сплавы). При изменении магнитного потока, протекающего через сердечник 8, в катушке 1 возникает э.д.с.

В конструкции микрофона имеется также резонатор Гельмгольца, включающий в себя отверстия в амбушуре 6 и надмембранный объём 7.

Частотная характеристика микрофона равномерна до частоты 1000 Гц. Неравномерность частотной характеристики составляет около 4 дБ/окт., уровень чувствительности — 45 дБ, диапазон частот — 250 ч 5000 Гц.

Помимо конструкции приемника давления находит также применение конструкция приемника градиента давления (рис. 2.12).

Рис. 2.12. Конструкция приемника градиента давления

Электромагнитный микрофон используют, как правило, для передачи речи. При этом микрофон располагают вблизи говорящего 2−2,5 см, на оси рта, чтобы отсутствовали завихрения при произношении взрывных звуков речи.

Электромагнитные микрофоны применяются главным образом в радиолюбительских устройствах и слуховых аппаратах.

Порошковый угольный микрофон. Впервые сконструирован русскими изобретателями М. Махальским в 1878 и независимо от него П. Голубицким в 1883.

Принцип действия микрофона (рис. 2.13).

Рис. 2.13. Порошковый угольный микрофон

Основан на свойстве угольного порошка изменять своё сопротивление в зависимости от силы сжатия зёрен, составляющих порошок. В микрофоне токопроводящая угольная или металлическая диафрагма (мембрана) под действием звуковых волн колеблется, изменяя плотность и, следовательно, электрическое сопротивление находящегося в капсюле и прилегающего к мембране угольного порошка.

Вследствие этого сила тока, протекающего через микрофон, также изменяется. Образуется пульсирующий ток, который в простейшем случае, протекая по проводной линии к телефону, вызывает колебания мембраны последнего, соответствующие колебаниям мембраны микрофона.

Полоса частот микрофона составляет Дf = 300 ч 3400 Гц, а коэффициент нелинейных искажений — 15ч20%. Управляющий параметр — плотность засыпки порошка: с увеличением плотности — уменьшается ток и улучшается частотная характеристика, чем меньше плотность — тем больше ток, но частотная характеристика ухудшается. Шум обусловлен трением между зёрнами. В результате многолетнего улучшения конструкции и электрических параметров микрофона с угольным порошком был создан микрофон капсюльного типа, широко применяемый в телефонии.