Mikrofon
Mikrofon jest urządzeniem do przemiany akustycznego sygnału na sygnał elektryczny. Pierwszy mikrofon wynalazł twórca gramofonu Emile Berliner 4. marca1877.
Dynamický mikrofon
Membrána mikrofonu się porusza w zależności od akustycznego ciśnienia. To z kolei powoduje także ruch cewki, która jest połączona z membraną. W cewce, która się w ten sposób porusza w polu magnetycznym, powstaje elektryczny sygnał. Wyjściowe napięcie zmienia się w zależności od ruchu membrany i cewki. U tego mikrofonu membrana porusza cewkę w polu magnetycznym magnesu trwałego, co powoduje powstanie zmiennego napięcia czyli prądu (idzie o odwrotny proces niż się odgrywa w klasycznych głośnikach). Mikrofony dynamiczne są mniej czułe niż mikrofony elektrostatyczne, lepiej więc przetwarzają głośny śpiew przy występowaniach na żywo itd. Nie wymagają zasilania i są bardzo odporne na uszkodzenia mechaniczne. (Przykładem żyjącej legendy jest np. mikrofon Shure SM58, który bardzo często się stosuje przy występowaniach publicznych). Charakterystyka kierunkowa jest sercową.
Paskowy mikrofon
Ten mikrofon działa na tym samym zasadzie, co mikrofon dynamiczny. Różnica jest w tym, że membrana jest zastąpiona cienką aluminiową taśmą, która w zależności od akustycznego ciśnienia porusza się w polu magnetycznym. Mikrofon dynamiczny paskowy (tzw. Ribbon). Tu jest „membraną” falista taśma z bardzo cienkiej folii aluminiowej (znowu kilka mikronów), umieszczona w stałym polu magnesów. Do przetwarzania bardzo małej impedancji służy transformator, który jest kluczową częścią tych mikrofonów, podobnie jak siła magnesów (dzisiaj najczęściej neodymowe) i jakość napięcia i falowania folii aluminiowej. Konstrukcja jest prosta, ale jest bardzo wrażliwa na uszkodzenia mechaniczne i nie można jej przechowywać blisko nośników magnetycznie wrażliwych, bo może dojść do ich namagnesowania. Dzisiaj paskowe mikrofony przeżywają „comeback”, mimo bardzo niskiej wrażliwości, i zakresu częstotliwości do około 15 kHz. Ich dużym plusem jest przyjemny „ciepły dźwięk”. Długoterminowo takie mikrofony trzeba przechowywać w pionowej pozycji. Charakterystyczne są osiemkową charakterystyką.
Kondensatorowy mikrofon
Ten rodzaj mikrofonu zawiera dwie cienkie metalowe płytki, które wzajemnie tworzą kondensator. Obwód zasilający tworzy w kondensatorze ładunek elektryczny. Jedna z tych płytek jest trwale zamontowana, a druga jest ruchoma i ma funkcję membrany akustycznej. Wzajemne zbliżanie i oddalanie tych płytek powoduje zmianę pojemności i tym samym zmianę napięcia wyjściowego. Grubość membrany wynosi kilka mikronów i na niej naniesiona jest warstwa rzadkiego metalu, najczęściej złota, podobną metodą jak się wytwarza tranzystory. Zmiana pojemności jest przekształcana na sygnał elektryczny albo za pomocą zasilania z miękkiego źródła albo wzmacniacza wstępnego z bardzo dużą wejściową impedancją (do tego bardzo odpowiednie są lampy elektronowe, które się stosowały w pierwszych mikrofonach. Dzisiaj jest prostszym rozwiązaniem taki mikrofon za pomocą obwodu scalonego, czyli tranzystorów). Czasem mikrofon jest częścią oscylatora rozładowanego zmianą pojemności i w kolejnych obwodach zmiana jest demodulowana na niskoczęstotliwościowy sygnał. Jest konieczne, aby odległość między membraną a wzmacniaczem była jak najmniejsza. Średnica membrany jest zazwyczaj jeden cal (czyli 2,54 cm). Kondensatorowe mikrofony wymagają zasilania. Przy odpowiedniej konstrukcji wkładki mikrofonowej jest możliwe polarizacyjnymnapięciem zmieniać charakterystykę kierunkową mikrofonu, co się wykorzystuje przy mikrofonach studiowych. Kondensatorowe mikrofony się stosują głównie do profesjonalnego studiowego nagrywania i do celów pomiarowych. Przy występowaniach na żywo dzisiaj się stosują głównie mikrofony dynamiczne. Kondensatorowy mikrofon należy do akustycznie najwiarygodniejszych i najczulszych spośród różnych zasad mikrofonów.
Elektretowy mikrofon
Mikrofon elektretowy jest typem mikrofonu kondensatorowego, u którego pole elektryczne potrzebne do działania, jest tworzone elektretem czyli nieprzewodzącą substancją, która jest trwale naładowana. W rytmie ruchu membrany zmienia się pojemność kondensatora i tym samym napięcie między płytkami. Zmiany napięcia muszą być przetworzone przez wzmacniacz z wysoką wejściową impedancją, (zazwyczaj wbudowany tranzystor FET, bezpośrednio w ciele mikrofonu), tym samym potrzebują także zasilania. Wytwarza się je do wymagających celów pomiarowych, do studiów, ale także do niewymagających zastosowań np. w komputerach, telefonach, elektronice użytkowej itd. Samo ciało mikrofonu nie jest zwykle w średnicy większe niż 1 cm.
Uglowy mikrofon
Ten typ nie jest ani dynamicznym ani kondensatorowym mikrofonem. Mikrofon był stosowany w starych telefonowych urządzeniach, a dzięki odporności na uderzenia także w wojskowych nadajnikach i telefonach. Zasada działania opiera się na ściskaniu węglowych granul. Gdy są one ściskane ich opór maleje a napięcie wyjściowe rośnie. Na zasadzie uglovej mikrofonu skonstruowano także pierwsze akustyczne wzmacniacze dla telefonowych central. Takie wzmacniacze miały wysokie odkształcenia i mały zakres częstotliwości. W mikrofonach tej konstrukcji przy uderzeniach mechanicznych (nawet bardzo delikatnych) pojawia się chrzęstienie spowodowane tarciem granulek węgla o siebie. Na początku nadawania radiowego sygnał nadajnika o dużym mocy przechodził przez uglowy mikrofon, mikrofony wymagały więc chłodzenia. Umieszczano je w ciężkich statywach i w układach sprężyn co eliminowało uderzenia mechaniczne. Nie mają żadnej charakterystyki kierunkowej.
Piezoelektryczny (piezo)mikrofon
Mikrofon opiera się na jawie piezoelektrycznym. Kryształowa substancja przy swojej deformacji generuje polarizowane elektryczne napięcie. Na tej zasadzie opiera się mikrofon piezoelektryczny, który się stosuje głównie do rejestrowania dźwięku instrumentów akustycznych (kontrabas, gitara, skrzypce), ponieważ płaski element pomiarowy można z wytchnieniem zamocować na rezonansową płytkę instrumentu muzycznego. Wibracje płyty przeniosły się na pomiarowy kryształ, co generowało napięcie równoważne wibracjom. Mikrofon piezoelektryczny się stosował głównie w drugiej połowie XX wieku. Niskie nakłady na jego produkcję go uprzedzili jako uzupełnienie do taśmowych magnetofonów.
Charakterystyka mikrofonu
- zakres częstotliwości, na który są przeznaczone mikrofony. Podaje się w Hz. Dla dobrej jakości nagrania wymaga się zakresu 40 Hz – 15 kHz. Mikrofon uglasty: 300 Hz – 3 kHz, mikrofon dynamiczny: 20 Hz – 20 kHz, mikrofon kondensatorowy: 10 Hz – 20 kHz.
- charakterystyka kierunkowa zależność czułości mikrofonu od kąta między osią mikrofonu a kierunkiem, z którego działa źródło dźwięku. Wyraża się przestrzennym wykresem.
- charakterystyka częstotliwościowa jest zależność czułości mikrofonu od częstotliwości. Wyraża się graficznie.
- czułość mikrofonu jest minimalnym ciśnieniem akustycznym, które mikrofon jest w stanie przechwycić, aby wywołać wymaganą reakcję. Podaje się w mV/Pa dla danej częstotliwości. Im czułość jest niższa, tym mikrofon musi być bliżej źródła dźwięku. Czułość nie jest decydującym czynnikiem, dopóki nie spada poniżej 0,8 mV/Pa przy wewnętrznym oporze mikrofonu 200 Ohm. Wtedy nadal zachowany jest odstęp sygnał – szum 45 dB, co jest granicą rozpoznawalności.
- szum mikrofonu Jeśli poziom ekwiwalentny szumu mikrofonu jest niższy niż poziom szumu studia (ciśnienie akustyczne 3,6.10-2 Pa) to mikrofon spełnia wymagania.
- impedancja wyjściowa. W zależności od rodzaju jest mniej więcej zależna od częstotliwości. Wielkość impedancji jest ważna dla podłączenia mikrofonu do wzmacniacza (przystosowanie impedancyjne).
- współczynnik kierunkowości Każdy typ mikrofonu wyróżnia się tym, że jego napięcie wyjściowe zależy także od kierunku, z którego pada na mikrofon falą dźwiękową. Wszystkostronna czułość mają tylko mikrofony z charakterystyką kierunkową wszystkostronną, ale nawet dla nich to dotyczy tylko średnich i niskich częstotliwości. Przy wyższych częstotliwościach zmienia się na sercową aż osiemkową, jeśli długość fali zbliża się do wymiaru mikrofonu. Mikrofony z sercową lub osiemkową charakterystyką podkreślają fale dźwiękowe przychodzące z kierunku największej czułości mikrofonu i tłumią dźwięk z innych kierunków. Współczynnik kierunkowości można matematycznie wyrazić jako stosunek kwadratu napięcia wyjściowego do kwadratu napięcia wyjściowego tego samego mikrofonu umieszczonego w idealnie dyfuzyjnym polu akustycznym za założeniem równego ciśnienia akustycznego i fali padającej w osi mikrofonu. Mikrofon z idealnie wszystkostronną charakterystyką ma współczynnik kierunkowości = 1. Pierwiastek współczynnika kierunkowości to tzw. współczynnik odległości, który podaje, ile razy można oddalić mikrofon kierunkowy od źródła akustycznego w porównaniu do mikrofonu z charakterystyką wszystkostronną przy zachowaniu tego samego stosunku sygnału bezpośredniego i zakłócającego.
Charakterystyka kierunkowa
Charakterystyka kierunkowa to przestrzenna czułość mikrofonu. W zależności od konstrukcji i typu mikrofonu może ten odbierać dźwięk z różnych kierunków w różnej intensywności. Mikrofony projektuje się z charakterystykami kierunkowymi według ich przewidywanego zastosowania. Charakterystyka kierunkowa jest zależna od częstotliwości – zazwyczaj ujawnia się przy wysokich tonach, podczas gdy głębokie pozostają niezmienione.
-
wszystkostronna -
podsercowna -
sercowna -
superkardioidna -
hiperkardioidna -
osiemkowa -
kierunkowa
- wszystkostronna (omnidirectional) lub charakterystyka kulista jest taka, przy której mikrofon odbiera dźwięk równie dobrze ze wszystkich stron. Można ją osiągnąć najprościej i jest typowa dla mikrofonów elektretowych.
- sercowna (kardioidna) charakterystyka tłumi odbiór dźwięku „z tyłu” mikrofonu. Typowa charakterystyka dla dynamicznych mikrofonów śpiewowych, tłumi sprzężenie zwrotne.
- hiperkardioidna charakterystyka jest bardziej kierunkowa charakterystyka niż charakterystyka kardioidna.
- osiemkowa (dwukierunkowa) charakterystyka jest taka, przy której mikrofon odbiera dźwięk tylko z tyłu i z przodu.
- kierunkowa charakterystyka przedstawia osłabiony odbiór dźwięku z tyłu i ze stron. Odbiera się tylko dźwięk z przodu.
- wąsko kierunkowa charakterystyka reprezentuje wyraźnie osłabiony odbiór dźwięku z tyłu, co się osiąga zwykle z powodów fizycznych długości mikrofonu aż 1 metr. Jest charakterystyczna dla filmowych statywów, które trzymają mikrofony w wysokości nad granicą górnej granicy obrazu. Wąsko kierunkowa charakterystyka mikrofonu osiąga się na koszt charakterystyki częstotliwościowej, która jest zatłoczona tylko do spektrum akustycznego.
Charakterystyka częstotliwościowa
Góra Oktava 319 (studiowy), dole Shure SM58 (śpiewowy)
Charakterystyka częstotliwościowa mikrofonu jest zależność czułości od częstotliwości. Wyraża się graficznie. Fizycznym ideałem byłby mikrofon, któryby podwładany akustyczny przekształcał zawsze na równoważny sygnał elektryczny bez względu na jego częstotliwość. Tak nie jest. Osiągnięcie wyważonej charakterystyki przynajmniej w postrzeganej dziedzinie wymaga kosztownych działań, np. bardzo małych wymiarów mikrofonu. Z braku zaś z czasem stało się zaletą i charakterystyczne nieregularności poszczególnych produktów zaczęły być wykorzystywane tak, aby pomóc podkreślić lub tłumić niektóre charakterystyczne odcienie dźwięku obiektów nagrywanych. Np. wszystkie mikrofony oprócz wszystkostronnych pracują jako przetworniki gradientu ciśnienia, z przybliżaniem się do źródła sygnału wzmacniają głębokie częstotliwości – tzw. 'efekt bliskości'. Tego wykorzystują niektórzy śpiewacy do osiągnięcia ciepłej barwy dźwięku w niektórych pasażach śpiewu zbliżaniem i oddalaniem mikrofonu.
Dla specjalnych celów wytwarza się mikrofony z tłumioną częścią charakterystyki częstotliwościowej (np. dla nagrywania mowy w raporcie lub dla urządzeń komunikacyjnych pracujących w hałaśliwym środowisku), w niektórych przypadkach są wyposażone także w przełączalne korekcje bezpośrednio w samym ciele mikrofonu, lub mają podkreślać pewną część spektrum potrzebną do rejestrowania dźwięku specyficznych instrumentów muzycznych.
Akcesoria
- ochrona przed wiatrem i wpływami mechanicznymi – zazwyczaj w formie dźwiękowo tłumiącego nakrycia (molitan, tkanina)
- pająk – stosuje się głównie u mikrofonów kondensatorowych. Ciało mikrofonu jest przechwytywane w gumie (lub sprężynach) odprężonym układzie, który go oddziela od uderzeń mechanicznych.
- ochrona przed wiatrem – ogólnie używana nazwa dla piankowej ochrony mikrofonu przed wiatrem. Głównie ją stosują ekipy telewizyjne na mikrofonach raportowych, a także jej „włosista” wersja jest stosowana na wąsko kierunkowych mikrofonach.
- filtr pop – stosuje się w studiach. Jest to sitko z tkaniny tłumiącej (rozpraszającej) większą ilość powietrza (np. wydech), aby się nie przenosił jako fala impulsowa na mikrofon.