Для преобразования звуковых колебаний в электрический ток применяют специальные электроакустические приборы, называемые микрофонами. Название данного прибора связано с сочетанием двух греческих слов, которые переводятся как «маленький» и «голос».
Микрофон – это преобразователь акустических колебаний в воздушной среде в электрические колебания.
Принцип действия микрофона заключается в том, что звуковые колебания (по сути — колебания давления воздуха) воздействуют на чувствительную мембрану устройства, а уже колебания мембраны вызывают генерацию колебаний электрических, поскольку именно мембрана связана с генерирующей электрический ток частью прибора, устройство которой зависит от вида конкретного микрофона.
Так или иначе, на сегодняшний день микрофоны находят самое широкое применение в различных областях науки, техники, искусства и т. д. Они используются в аудиотехнике, в мобильных гаджетах, применяются для голосовой связи, для записи голоса, в медицинской диагностике и в ультразвуковых исследованиях они служат датчиками, и во многих-многих других областях человеческой деятельности без микрофона в том или ином виде просто не обойтись.
Микрофоны имеют различные конструкции, так как у микрофонов разного вида за генерацию электрических колебаний отвечают различные физические явления, главные из которых: электрическое сопротивление, электромагнитная индукция, изменение емкости и пьезоэлектрический эффект. На сегодняшний день по принципу устройства можно выделить три основные типа микрофонов: динамический, конденсаторный и пьезоэлектрический. До сих пор кое-где встречаются, однако, и угольные микрофоны, с них и начнем наш обзор.
Угольный микрофон
В 1856 году французский ученый Дю Монсель опубликовал свои исследования, в которых демонстрировалось, что даже при небольшом изменении в площади соприкосновении графитовых электродов, их сопротивление протеканию электрического тока изменяется довольно значительно.
Двадцать лет спустя, американский изобретатель Эмиль Берлинер создал на базе данного эффекта первый в мире угольный микрофон. Это произошло 4 марта 1877 года.
Работа микрофона Берлинера была основана именно на свойстве контактирующих угольных стержней изменять сопротивление цепи вследствие изменения площади проводящего контакта.
Уже в мае 1878 года развитие изобретению дал Дэвид Юз, который установил графитовый стержень с заостренными концами и с неподвижно закрепленной на нем мембраной между парой угольных чашечек.
Когда мембрана колебалась от действия не нее звука, площадь контакта стержня с чашечками также изменялась, соответственно изменялось и сопротивление электрической цепи, в которую был включен стержень. В результате ток в цепи изменялся следуя за колебаниями звука.
Томас Алва Эдисон пошел еще дальше, - он заменил стержень на угольный порошок. Автор же наиболее прижившейся конструкции угольного микрофона — Энтони Уайт (1890 год). Именно такие микрофоны до сих пор можно встретить в трубках старых аналоговых телефонных аппаратов.
Угольный микрофон устроен и работает следующим образом. Между двумя металлическими пластинами находится заключенный в герметичную капсулу угольный порошок (гранулы). Одна из пластин с одной стороны капсулы соединена с мембраной.
Когда на мембрану действует звук, она колеблется, передавая колебания угольному порошку. Частички порошка колеблются, то и дело изменяя площадь контакта друг с другом. Таким образом колеблется и электрическое сопротивление микрофона, изменяя ток в цепи, в которую он включен.
Самые первые микрофоны включали в цепь последовательно с гальванической батареей в качестве источника напряжения.
При подключении такого микрофона к первичной обмотке трансформатора, с его вторичной обмотки можно снять колеблющееся в такт действующему на мембрану звуку электрическое напряжение. Угольный микрофон отличается высокой чувствительностью, что делает в некоторых случаях возможным его применение даже без усилителя. Хотя есть у угольного микрофона и существенный недостаток — наличие значительных нелинейных искажений и шумов.
Конденсаторный микрофон
Конденсаторный микрофон (работа которого основана на принципе изменения электроемкости под действием звука) был изобретен американским инженером Эдуардом Венте в 1916 году. Способность конденсатора изменять емкость в зависимости от изменения расстояния между его обкладками была на тот момент уже хорошо известна и изучена.
Так, одна из обкладок конденсатора выступает здесь в качестве чувствительной к звуку тонкой подвижной мембраны. Мембрана получается легкой и чувствительной в силу своей тонкости, поскольку для ее изготовления традиционно используют тонкий пластик с нанесенным на него тончайшим слоем золота или никеля. Вторая обкладка конденсатора, соответственно, должна быть закреплена неподвижно.
Когда переменное звуковое давление действует на тонкую пластинку, это заставляет ее колебаться — то приближаться ко второй обкладке конденсатора, то отдаляться от нее. При этом колеблется и изменяется электрическая емкость такого своеобразного переменного конденсатора. В результате в электрической цепи, в которую включен данный конденсатор, электрический ток колеблется повторяя форму падающей на мембрану звуковой волны.
Рабочее электрическое поле между обкладками создается либо внешним источником напряжения (например батареей), либо путем изначального применения поляризованного материала в качестве покрытия одной из пластин (электретный микрофон — разновидность конденсаторного микрофона).
Здесь обязательно используется предусилитель, поскольку сигнал очень слаб, ведь изменение емкости от звука оказывается крайне мало, мембрана колеблется еле заметно. Когда схема предусилителя повышает амплитуду звукового сигнала, уже усиленный сигнал направляется затем в усилитель. Отсюда вытекает первое достоинство конденсаторных микрофонов — они сверхчувствительны даже на очень высоких частотах.
Динамический микрофон
Рождение динамического микрофона явилось заслугой немецких ученых Гервина Эрлаха и Вальтера Шоттки. В 1924 году они предложили новый тип микрофона - динамический микрофон, работающий значительно качественнее угольного предшественника в плане линейности и частотных характеристик, и превосходящий конденсаторного собрата по изначальным электрическим параметрам. Они расположили в магнитном поле гофрированную ленточку из очень тонкой (около 2 мкм толщиной) алюминиевой фольги.
В 1931 году модель была усовершенствована американскими изобретателями Тёресом и Венте. Они предложили динамический микрофон с катушкой индуктивности. Данное решение по сей день считается лучшим для звукозаписывающих студий.
В основе работы динамического микрофона лежит явление электромагнитной индукции. Мембрана прикреплена к проводнику из тонкой медной проволоки, намотанному на легкую пластиковую трубочку, которая находится в зоне действия постоянного магнитного поля.
Звуковые колебания действуют на мембрану, мембрана колеблется повторяя форму звуковой волны, при этом передает свои движения проводнику, проводник перемещается в магнитном поле, и (в соответствии с законом электромагнитной индукции) в проводнике индуцируется электрический ток, повторяющий по форме падающий на мембрану звук.
Поскольку проводник с пластиковой опорой - достаточно легкая конструкция, она получается очень подвижной и весьма чувствительной, а наводимое электромагнитной индукцией переменное напряжение — немалым.
Электродинамические микрофоны подразделяются катушечные на (оснащенные диафрагмой в кольцевом зазоре магнита), ленточные (в которых материалом для катушки служит гофрированная алюминиевая фольга), изодинамические и др.
Классический динамический микрофон надежен, отличается широким диапазоном чувствительности по амплитуде в области звуковых частот, при этом недорог в производстве. Тем не менее он недостаточно чувствителен на высоких частотах и плохо реагирует на резкие перепады звукового давления — это два его главных недостатка.
Динамический микрофон ленточной модификации отличается тем, что магнитное поле создается постоянным магнитом с полюсными наконечниками, между которыми находится тонкая алюминиевая ленточка, являющаяся заменой медной проволоке.
Ленточка обладает высокой электрической проводимостью, но индуцируемое напряжение мало, поэтому в схему обязательно добавляется повышающий трансформатор. Полезный звуковой сигнал снимается в такой схеме со вторичной обмотки трансформатора.
Ленточный динамический микрофон показывает очень равномерный частотный диапазон чувствительности в отличие от обычного динамического микрофона.
В качестве материала постоянного магнита в микрофонах используются магнитотвердые сплавы с высокой остаточной индукцией (например, NdFeB). Корпус и кольцо изготавливают из магнитомягких сплавов (например, из электротехнических сталей или пермаллоев).
Пьезоэлектрический микрофон
Новое слово в аудиотехнике было сказано российскими учеными Ржевкиным и Яковлевым в 1925 году. Они предложили принципиально новый подход к преобразованию звука в колебания тока — пьезоэлектрический микрофон. Действию звукового давления здесь подвергается пьезоэлектрический кристалл.
Звук действует на мембрану, связанную со стержнем, который в свою очередь закреплен на пьезоэлектрике. Пьезокристалл деформируется под действием колебаний стрежня, а на его выводах появляется напряжение, повторяющее форму падающего звука. Данное напряжение используется в качестве полезного сигнала.
Андрей Повный