 |
Характеристики микрофонов.
|
|
|
|
Звук
Звук, в широком смысле — упругие волны, продольно распространяющиеся в среде и создающие в ней механические колебания; в узком смысле — субъективное восприятие этих колебаний специальными органами чувств животных или человека.Как и любая волна, звук характеризуется амплитудой и спектром частот. Обычно, человек слышит звуки в диапазоне частот от 16—20 Гц до 15—20 кГц[1]. Звук ниже диапазона слышимости человека называют инфразвуком; выше: до 1 ГГц, — ультразвуком, от 1 ГГц — гиперзвуком. Среди слышимых звуков следует также особо выделить фонетические, речевые звуки и фонемы (из которых состоит устная речь) и музыкальные звуки (из которых состоит музыка).
Понятие о звуке
Звуковые волны могут служить примером колебательного процесса. Всякое колебание связано с нарушением равновесного состояния системы и выражается в отклонении её характеристик от равновесных значений. Для звуковых колебаний такой характеристикой является давление в точке среды, а её отклонение — звуковым давлением
Если произвести резкое смещение частиц упругой среды в одном месте, например, с помощью поршня, то в этом месте увеличится давление. Благодаря упругим связям частиц давление передаётся на соседние частицы, которые, в свою очередь, воздействуют на следующие, и область повышенного давления как бы перемещается в упругой среде. За областью повышенного давления следует область пониженного давления, и, таким образом, образуется ряд чередующихся областей сжатия и разряжения, распространяющихся в среде в виде волны. Каждая частица упругой среды в этом случае будет совершать колебательные движения.
Ультразвук — упругие звуковые колебания высокой частоты. Человеческое ухо воспринимает распространяющиеся в среде упругие волны частотой приблизительно до 16-20 кГц; колебания с более высокой частотой представляют собой ультразвук (за пределом слышимости). Обычно ультразвуковым диапазоном считают полосу частот от 20 000 до миллиарда Гц. Звуковые колебания с более высокой частотой называют гиперзвуком. В жидкостях и твердых телах звуковые колебания могут достигать 1000 ГГц.Хотя о существовании ультразвука ученым было известно давно, практическое использование его в науке, технике и промышленности началось сравнительно недавно. Сейчас ультразвук широко применяется в различных физических и технологических методах.
|
|
|
Инфразву́к (от лат. infra — ниже, под) — упругие волны, аналогичные звуковым, но имеющие частоту ниже воспринимаемой человеческим ухом. За верхнюю границу частотного диапазона инфразвука обычно принимают 16—25 Гц. Нижняя же граница инфразвукового диапазона условно определена как 0.001 Гц. Практический интерес могут представлять колебания от десятых и даже сотых долей герц, то есть с периодами в десяток секунд.
Природа возникновения инфразвуковых колебаний такая же, как и у слышимого звука, поэтому инфразвук подчиняется тем же закономерностям, и для его описания используется такой же математический аппарат, как и для обычного слышимого звука (кроме понятий, связанных с уровнем звука). Инфразвук слабо поглощается средой, поэтому может распространяться на значительные расстояния от источника. Из-за очень большой длины волны ярко выражена дифракция.
Инфразвук с уровнем от 110 до 150 дБ вызывает неприятные субъективные ощущения и различные функциональные изменения в организме человека: нарушения в центральной нервной системе, сердечно-сосудистой и дыхательной системах, вестибулярном аппарате. Возникают головные боли, осязаемое движение барабанных перепонок, звон в ушах и в голове, снижается внимание и работоспособность, появляется чувство страха, угнетённое состояние, нарушается равновесие, появляется сонливость, затруднение речи.
|
|
|
Инфразвук, образующийся в море, называют одной из возможных причин нахождения судов, покинутых экипажем (см. Бермудский треугольник, Корабль-призрак).
Микрофоны
История
Вначале наибольшее распространение получил угольный микрофон Эдисона, об изобретении которого также независимо заявляли Махальский в 1878 и П. М. Голубицкий в 1883. Угольный микрофон до сих пор используется в аппаратах аналоговой телефонии. Действие его основывается на изменении сопротивления между зёрнами угольного порошка при изменении давления на их совокупность.
Конденсаторный микрофон был изобретён американским учёным Э. Венте в 1917 году. В нём звук воздействует на тонкую металлическую мембрану, изменяя расстояние между мембраной и металлическим корпусом. Тем самым образуемый мембраной и корпусом конденсатор меняет ёмкость. Если подвести к пластинам постоянное напряжение, изменение ёмкости вызовет ток через конденсатор, тем самым образуя электрический сигнал во внешней цепи.
Более массовыми стали динамические микрофоны, отличающиеся от угольных гораздо лучшей линейностью характеристик и хорошими частотными свойствами, а от конденсаторных — более приемлемыми электрическими свойствами.
Первым динамическим микрофоном стал изобретённый в 1924 году немецкими учёными Э. Герлахом и В. Шоттки электродинамический микрофон ленточного типа. Они расположили в магнитном поле гофрированную ленточку из очень тонкой (ок. 2 мкм) алюминиевой фольги. Такие микрофоны до сих пор применяются в студийной записи благодаря чрезвычайно высоким частотным характеристикам, однако их чувствительность невелика, выходное сопротивление очень мало (доли Ома), что значительно осложняло проектирование усилителей. Кроме того, достаточная чувствительность достижима только при значительной площади ленточки (а значит, и размерах магнита), в результате такие микрофоны имеют большие размеры и массу по сравнению со всеми остальными типами.
Пьезоэлектрический микрофон, сконструированный советскими учёными С. Н. Ржевкиным и А. И. Яковлевым в 1925 году, имеет в качестве датчика звукового давления пластинку из вещества, обладающего пьезоэлектрическими свойствами. Работа в качестве датчика давления позволила создать первые гидрофоны и записать сверхнизкочастотные звуки, характерные для морских обитателей.
|
|
|
В 1931 году американские учёные Э. Венте и А. Терас изобрели динамический микрофон с катушкой, приклееной к тонкой мембране из полистирола или фольги. В отличие от ленточного, он имел существенно более высокое выходное сопротивление (десятки Ом и сотни кило Ом), мог быть изготовлен в меньших размерах и является обратимым.
Совершенствование характеристик именно этих микрофонов, в сочетании с совершенствованием звукоусилительной и звукозаписывающей аппаратуры, позволило развиться индустрии звукозаписи. Создание малых по размеру (даже несмотря на массу постоянного магнита, необходимого для работы микрофона), а также чрезвычайно чувствительных и узконаправленных динамических микрофонов в заметной степени изменило представление о приватности и породило ряд изменений в законодательстве (в частности, о применении подслушивающих устройств).
Тогда же разработанные электромагнитные микрофоны, в отличие от электродинамических, имеют закреплённый на мембране постоянный магнит и неподвижную катушку. Благодаря отсутствию жёстких требований к массе катушки (характерном для динамических микрофонов) такие микрофоны делались высокоомными, а также порой имели многоотводные катушки, что делало их более универсальными. Такие микрофоны, наряду с пьезоэлектрическими, позволили создать эффективные слуховые аппараты, а также ларингофоны.
Электретный микрофон, изобретённый японским учёным Ёгути в начале 20-х гг. XX века по принципу действия и конструкции близок к конденсаторному, однако в качестве неподвижной обкладки конденсатора и источника постоянного напряжения выступает пластина из электрета. Долгое время такие микрофоны были относительно дороги, а их очень высокое выходное сопротивление (как и конденсаторных, единицы мегаОм и выше) заставляло применять исключительно ламповые схемы.
|
|
|
Создание полевых транзисторов привело к появлению чрезвычайно эффективных, миниатюрных и лёгких электретных микрофонов, совмещённых с собранным в том же корпусе предусилителем на полевом транзисторе
Микрофон преобразует звуковую энергию сигнала в электрический аналог и, в идеале, должен осуществлять это преобразование без потери полезной информации.
По этому микрофоны должны отвечать следующим основным требованиям:
для нормального уровня звука он должен производить электрический сигнал, превосходящий по уровню собственные шумы;
для нормального уровня звука он должен производить сигнал с минимальными искажениями;
для конкретного источника звука он должен, совместно с сопутствующим оборудованием, одинаково реагировать на весь полезный спектр частот аудио сигналов.
Для источника звука, воспроизводящего довольно ограниченный диапазон частот, применение микрофонов, реагирующих на обширную частотную область, означает нежелательную восприимчивость к посторонним источникам звука (с более широким диапазоном) или высокочастотным шумам.
Микрофоны различаются между собой по принципу преобразования движения воздушной в электрическую энергию.
Существует несколько разновидностей микрофонов:
электростатические (или конденсаторные или емкостные),
катушечные (динамические)
ленточные микрофоны.
Кроме названных типов, существуют и другие принципы, заложенные в основу работы микрофонов. В их число входят: кристаллические (пьезоэлектрические), карбоновые, магнитострикционные, индукторные и ионные микрофоны.
Почти все рассмотренные системы микрофонов используют для своей работы диафрагму - поверхность, которая механически восприимчива к звуковым волнам.
Микрофоны также различаются по способу воздействия воздушного давления на движения диафрагмы. Это определяет характеристики направленности микрофонов и является особенно важным фактором для их использования.
В конструкции микрофона может быть предусмотрено изменение выходных характеристик в зависимости от угла поворота относительно оси, но при этом не должно происходить потери его чувствительности к заданному диапазону частот. К сожалению, это почти невыполнимое требование. Поэтому, в реальной жизни находят величину такого полезного угла, для которого названные условия, более или менее, удовлетворяются.
Характеристики микрофонов.
|
|
|
К характеристикам микрофонов, которые определяют условия для их эксплуатации, можно отнести следующие:
Чувствительность.
Выражается в дБ по отношению к 1 Вольт на Паскаль
Чувствительность характеризует восприимчивость к мощности производимого сигнала. На практике, большинство профессиональных микрофонов имеют выходное напряжение в пределах 10 дБ. Границы чувствительности микрофонов могут быть определены через понятия уровней звукового давления. Например, микрофон с определенным верхним пределом в 130 считается обладающим низким уровнем перегрузки по отношению к уровням звука, которые являются близкими к болевому порогу, хотя в то же время, это может быть малой величиной для случая близкого восприятия звука мощного голоса певца. Нижняя граница чувствительности (называемая "эквивалентом уровня шумов") порядка 20 дБ означает, что электрические шумы микрофона больше уровня звукового давления безмолвной студии звукозаписи не более чем на 20 дБ.
Надежность.
Динамические микрофоны особенно устойчивы к проявлениям небрежного или грубого обращения, которое может иметь место вне пределов студии. Электростатические микрофоны, наоборот, требуют к себе более бережного отношения. Некоторые микрофоны обладают специальными предохранительными прокладками между капсулой (и связанной с ней электроникой) и ручкой микрофона. Ограниченная чувствительность к низкочастотной области также в значительной мере способствует их стабильности в работе. Ленточные микрофоны являются менее пригодными, так как их ленточная диафрагма имеет резонансную частоту в районе 40 Гц, которая достаточно легко возбуждается от небольших движений или даже от шума аудитории. Кабели и разъемы, используемые во время представления, также должны быть проверены на наличие шумов при эксплуатации.
Чувствительность к ветру.
Внезапные порывы ветра способны вызвать случайные изменения градиента воздушного давления. Поэтому микрофоны, в основу работы которых заложен этот принцип, являются менее пригодными для эксплуатации. Ленточные микрофоны, имеющие тонкую ленточную диафрагму, в особенности показывают отрицательные характеристики. Для этих случаев очень важно применять защитные противоветровые экраны нужной конфигурации
Соответствие волновых сопротивлений. Как правило, микрофонная система должна подходить под импеданс аппаратуры, к которой она должна быть подключена. Если это условие будет нарушено, то между соединительными компонентами возникнут нежелательные отражения сигнала, которые могут в конечном счете повлиять на частотное реагирование. На практике, для обеспечения лучшей совместимости систем, волновое сопротивление микрофона выбирается на одну треть меньше импеданса соединяемого с ним устройства.
|
|
|
