Jak działa mikrofon, rodzaje mikrofonów

Specjalne urządzenia elektroakustyczne zwane mikrofonami służą do przekształcania drgań dźwięku w prąd elektryczny. Nazwa tego urządzenia jest związana z połączeniem dwóch greckich słów, które tłumaczone są jako „mały” i „głos”.

Mikrofon jest konwerterem drgań akustycznych w powietrzu na drgania elektryczne.

Zasada działania mikrofonu polega na tym, że wibracje dźwięku (właściwie wahania ciśnienia powietrza) oddziałują na czułą membranę urządzenia, a już wibracje membrany powodują generowanie drgań elektrycznych, ponieważ to właśnie membrana jest połączona z częścią urządzenia generującego prąd elektryczny, którego działanie zależy od typu konkretnego mikrofonu.

W taki czy inny sposób mikrofony są dziś szeroko stosowane w różnych dziedzinach nauki, technologii, sztuki itp. Są stosowane w sprzęcie audio, w gadżetach mobilnych, wykorzystywane w komunikacji głosowej, nagrywaniu głosu, w diagnostyce medycznej i badaniach ultrasonograficznych.służą jako czujniki, aw wielu, wielu innych obszarach ludzkiej działalności po prostu nie można obejść się bez mikrofonu w takiej czy innej formie.

Mikrofony mają różne konstrukcje, ponieważ w różnych typach mikrofonów różne zjawiska fizyczne są odpowiedzialne za generowanie oscylacji elektrycznych, z których główne to: opór elektryczny, Indukcja elektromagnetyczna, zmiana pojemności I efekt piezoelektryczny... Obecnie, zgodnie z zasadą działania urządzenia, można wyróżnić trzy główne typy mikrofonów: dynamiczny, pojemnościowy i piezoelektryczny. Jednak do tej pory mikrofony węglowe są również dostępne w niektórych miejscach i od nich zaczniemy naszą recenzję.

Mikrofon węglowy

W 1856 roku francuski naukowiec Du Monsel opublikował swoje badania, z których wynika, że ​​nawet przy niewielkiej zmianie powierzchni styku elektrod grafitowych dość znacząco zmienia się ich opór wobec przepływu prądu elektrycznego.

Dwadzieścia lat później amerykański wynalazca Emila Berlinera stworzył pierwszy na świecie mikrofon węglowy oparty na tym efekcie. Stało się to 4 marca 1877 roku.

Działanie mikrofonu Berliner zostało właśnie oparte na właściwości stykania się prętów węglowych w celu zmiany rezystancji obwodu w wyniku zmiany przewodzącej powierzchni styku.

Już w maju 1878 roku podano rozwój wynalazku Davida Hughesa, który zainstalował grafitowy pręt z zaostrzonymi końcami i przymocowaną do niego membraną między parą węglowych miseczek.

Kiedy membrana wibruje w wyniku działania na nią dźwięku, zmienia się również powierzchnia styku pręta z miseczkami, a także rezystancja obwodu elektrycznego, do którego podłączony jest pręt. W rezultacie prąd w obwodzie zmienił się po drganiach dźwięku.

Thomas Alva Edison poszedł jeszcze dalej – zastąpił pręt pyłem węglowym. Autorem najsłynniejszego projektu mikrofonu węglowego jest Antoniego Białego (1890). To właśnie te mikrofony można jeszcze spotkać w słuchawkach starych telefonów analogowych.

Mikrofon węglowy został zaprojektowany i działa w następujący sposób. Proszek węglowy (granulki) zamknięty w szczelnej kapsułce znajduje się pomiędzy dwiema metalowymi płytkami. Jedna z płytek po jednej stronie kapsułki jest połączona z membraną.

Kiedy dźwięk oddziałuje na membranę, wibruje ona, przenosząc wibracje na pył węglowy. Cząsteczki pyłu wibrują, co jakiś czas zmieniając obszar kontaktu ze sobą. W ten sposób opór elektryczny mikrofonu również się zmienia, zmieniając prąd w obwodzie, do którego jest podłączony.

Pierwsze mikrofony połączono szeregowo z baterią galwaniczną jako źródło napięcia.

Podłączenie takiego mikrofonu do uzwojenia pierwotnego transformatora umożliwia eliminację dźwięku zmiennego w czasie z dźwiękiem oddziałującym na membranę z jego uzwojenia wtórnego Napięcie… Mikrofon węglowy ma wysoką czułość, co sprawia, że ​​w niektórych przypadkach można go używać nawet bez wzmacniacza. Chociaż mikrofon węglowy ma znaczną wadę — obecność znacznych zniekształceń nieliniowych i szumów.

Mikrofon pojemnościowy

Mikrofon pojemnościowy (oparty na zasadzie zmiany pojemności elektrycznej pod wpływem dźwięku) został wynaleziony przez amerykańskiego inżyniera Edwarda Wentego w 1916 rokuZdolność kondensatora do zmiany pojemności w zależności od zmiany odległości między jego okładkami była już wówczas dobrze znana i badana.

Tak więc jedna z płyt kondensatora działa tu jak cienka ruchoma membrana wrażliwa na dźwięk. Membrana okazuje się być lekka i wrażliwa ze względu na swoją cienkość, ponieważ do jej produkcji tradycyjnie używa się cienkiego plastiku z najcieńszą warstwą złota lub niklu. W związku z tym druga płyta kondensatora musi być unieruchomiona.

Kiedy zmienne ciśnienie akustyczne oddziałuje na cienką płytkę, powoduje ona wibracje — czyli przesuwanie się w kierunku, a następnie od drugiej płytki kondensatora. W takim przypadku pojemność elektryczna takiego typu kondensatora zmiennego zmienia się i zmienia. W rezultacie w obwodzie elektrycznym, w którym znajduje się ten kondensator, Elektryczność oscylacja powtarzająca kształt fali dźwiękowej padającej na membranę.

Działające pole elektryczne między płytkami jest wytwarzane albo przez zewnętrzne źródło napięcia (np. baterię), albo przez wstępne nałożenie spolaryzowanego materiału jako powłoki na jedną z płyt (mikrofon elektretowy jest rodzajem mikrofonu pojemnościowego).

Tu trzeba zastosować przedwzmacniacz, bo sygnał jest bardzo słaby, bo zmiana pojemności od dźwięku okazuje się być bardzo mała, membrana wibruje ledwie wyczuwalnie. Kiedy obwód przedwzmacniacza zwiększa amplitudę sygnału audio, sygnał już wzmocniony jest kierowany do wzmacniacza… Stąd pierwsza zaleta mikrofonów pojemnościowych — są bardzo czułe nawet przy bardzo wysokich częstotliwościach.

Mikrofon dynamiczny

Narodziny mikrofonu dynamicznego to zasługa niemieckich naukowców Gervina Erlacha I Waltera Schottky'ego… W 1924 roku wprowadzili nowy typ mikrofonu, mikrofon dynamiczny, który znacznie przewyższył swojego poprzednika z włókna węglowego pod względem liniowości i odpowiedzi częstotliwościowej, a także przewyższył swój pojemnościowy odpowiednik pod względem oryginalnych parametrów elektrycznych. Umieścili falistą taśmę z bardzo cienkiej (o grubości około 2 mikronów) folii aluminiowej w polu magnetycznym.

W 1931 roku model został udoskonalony przez amerykańskich wynalazców. Tøres I Vente… Zaproponowali mikrofon dynamiczny z induktorem… To rozwiązanie do dziś uważane jest za najlepsze dla studiów nagraniowych.

Mikrofon dynamiczny opiera się na zjawisko indukcji elektromagnetycznej… Membrana jest przymocowana do cienkiego miedzianego drutu owiniętego wokół lekkiej plastikowej rurki w stałym polu magnetycznym.

Na membranę działają wibracje dźwiękowe, membrana wibruje, powtarzając kształt fali dźwiękowej, przekazując jej ruchy na drut, drut porusza się w polu magnetycznym i (zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej) indukowany jest prąd elektryczny w drucie, powtarzając kształt dźwięku, padającego na membranę.

Ponieważ drut z plastikowym wspornikiem jest dość lekką konstrukcją, okazuje się bardzo mobilny i bardzo czuły, a napięcie przemienne indukowane przez indukcję elektromagnetyczną jest znaczne.

Mikrofony elektrodynamiczne dzielą się na mikrofony cewkowe (wyposażone w membranę w pierścieniowej szczelinie magnesu), mikrofony wstęgowe (w których materiałem cewki jest falista folia aluminiowa), izodynamiczne itp.

Klasyczny mikrofon dynamiczny jest niezawodny, ma szeroki zakres czułości amplitudowej w zakresie częstotliwości audio i jest niedrogi w produkcji. Nie jest jednak wystarczająco czuły na wysokie częstotliwości i słabo reaguje na nagłe zmiany ciśnienia akustycznego — to dwie jego główne wady.

Dynamiczny mikrofon wstęgowy różni się tym, że pole magnetyczne jest wytwarzane przez magnes stały z nabiegunnikami, pomiędzy którymi znajduje się cienka listwa aluminiowa, która zastępuje drut miedziany.

Taśma ma wysoką przewodność elektryczną, ale indukowane napięcie jest małe, dlatego należy ją dodać do obwodu transformator podwyższający…Użyteczny sygnał dźwiękowy jest usuwany w takim obwodzie przez uzwojenie wtórne transformatora.

Dynamiczny mikrofon wstęgowy charakteryzuje się bardzo jednolitym zakresem częstotliwości w przeciwieństwie do konwencjonalnego mikrofonu dynamicznego.

Jako materiał z magnesami trwałymi mikrofony wykorzystują twarde stopy magnetyczne o wysokiej indukcji szczątkowej (np. NdFeB). Korpus i pierścień wykonane są z miękkich stopów magnetycznych (np. stali elektrotechnicznej lub permaloidu).

Mikrofon piezoelektryczny

W 1925 r. rosyjscy naukowcy Rzhevkin i Yakovlev wypowiedzieli nowe słowo w technologii audio. Zaproponowali oni całkowicie nowe podejście do przekształcania dźwięku w drgania prądu — mikrofon piezoelektryczny. Narażone jest na działanie ciśnienia akustycznego kryształ piezoelektryczny.

Dźwięk działa na membranę połączoną z prętem, który z kolei jest przymocowany do piezoelektryka. Kryształ piezoelektryczny odkształca się pod wpływem drgań pręta, a na jego zaciskach pojawia się napięcie, powtarzające kształt padającego dźwięku. To napięcie jest używane jako użyteczny sygnał.