Miten mikrofoni toimii, mikrofonityypit

Erikoisia sähköakustisia laitteita, joita kutsutaan mikrofoneiksi, käytetään muuttamaan äänen värähtelyt sähkövirraksi. Tämän laitteen nimi liittyy kahden kreikan sanan yhdistelmään, jotka on käännetty "pieniksi" ja "ääniksi".

Mikrofoni on ilmassa olevien akustisten värähtelyjen muuntaja sähköisiksi värähtelyiksi.

Mikrofonin toimintaperiaate on, että äänen värähtelyt (oikeastaan ​​ilmanpaineen vaihtelut) vaikuttavat laitteen herkkään kalvoon ja jo kalvon värähtelyt aiheuttavat sähköisen värähtelyn syntymistä, koska osaan on kytketty kalvo. sähkövirtaa tuottavasta laitteesta, jonka laite riippuu tietyn mikrofonin tyypistä.

Tavalla tai toisella mikrofoneja käytetään nykyään laajalti tieteen, tekniikan, taiteen jne. eri aloilla. Niitä käytetään audiolaitteissa, mobiililaitteissa, puheviestinnässä, äänen tallentamisessa, lääketieteellisessä diagnoosissa ja ultraäänitutkimuksessa.ne toimivat antureina, ja monilla, monilla muilla ihmisen toiminnan alueilla ei yksinkertaisesti tule toimeen ilman mikrofonia muodossa tai toisessa.

Mikrofonit ovat rakenteeltaan erilaisia, koska erityyppisissä mikrofoneissa erilaiset fyysiset ilmiöt aiheuttavat sähköisiä värähtelyjä, joista tärkeimmät ovat: sähköinen vastus, elektromagneettinen induktio, kapasiteetin muutos ja pietsosähköinen vaikutus... Nykyään laitteen periaatteen mukaan voidaan erottaa kolme päätyyppiä mikrofoneja: dynaaminen, kondensaattori ja pietsosähköinen. Hiilimikrofoneja on kuitenkin saatavilla myös paikoin toistaiseksi, ja niillä aloitamme katsauksen.

Hiilimikrofoni

Vuonna 1856 ranskalainen tiedemies Du Monsel julkaisi tutkimuksensa, joka osoitti, että jopa pienellä muutoksella grafiittielektrodien kosketusalueella niiden vastus sähkövirran virtaukselle muuttuu melko merkittävästi.

Kaksikymmentä vuotta myöhemmin amerikkalainen keksijä Emil Berliner loi maailman ensimmäisen hiilimikrofonin tämän tehosteen perusteella. Tämä tapahtui 4. maaliskuuta 1877.

Berliner-mikrofonin toiminta perustui juuri siihen ominaisuuteen, että hiilisauvat koskettavat virtapiirin vastusta johtuen johtavan kosketuspinnan muutoksesta.

Jo toukokuussa 1878 keksintöä kehitettiin David Hughes, joka asensi grafiittitangon teräväpäisinä ja siihen kiinnitetyn kalvon hiilikuppien väliin.

Kun kalvo värähtelee siihen kohdistuvan äänen vaikutuksesta, myös tangon kosketuspinta kuppien kanssa muuttuu, samoin kuin sen sähköpiirin vastus, johon sauva on kytketty. Tämän seurauksena virtapiirissä muuttui äänen värähtelyjen jälkeen.

Thomas Alva Edison meni vielä pidemmälle – hän korvasi tangon hiilipölyllä. Hiilimikrofonin tunnetuimman suunnittelun kirjoittaja on Anthony White (1890). Juuri näitä mikrofoneja löytyy edelleen vanhojen analogisten puhelimien kuulokkeista.

Hiilimikrofoni on suunniteltu ja toimii seuraavasti. Suljetussa kapselissa oleva hiilijauhe (rakeet) sijaitsee kahden metallilevyn välissä. Yksi kapselin toisella puolella olevista levyistä on yhdistetty kalvoon.

Kun ääni vaikuttaa kalvoon, se värähtelee ja siirtää värähtelyn hiilipölyyn. Pölyhiukkaset värisevät ja muuttavat ajoittain kosketusaluetta toistensa kanssa. Näin ollen myös mikrofonin sähkövastus vaihtelee, mikä muuttaa virtaa piirissä, johon se on kytketty.

Ensimmäiset mikrofonit kytkettiin sarjaan galvaanisella akulla jännitelähteenä.

Kun tällainen mikrofoni kytketään muuntajan ensiökäämiin, on mahdollista eliminoida kalvoon vaikuttavan äänen kanssa ajassa vaihteleva ääni sen toisiokäämistä. Jännite… Hiilimikrofonilla on korkea herkkyys, mikä mahdollistaa sen käytön joissain tapauksissa myös ilman vahvistinta. Vaikka hiilimikrofonilla on merkittävä haittapuoli - merkittäviä epälineaarisia vääristymiä ja kohinaa.

Kondensaattorimikrofoni

Kondensaattorimikrofonin (joka perustuu sähkökapasiteetin muuttamisen periaatteeseen äänen vaikutuksesta) keksi amerikkalainen insinööri Edward Wente vuonna 1916Kondensaattorin kyky muuttaa kapasitanssia levyjen välisen etäisyyden muutoksen mukaan oli jo tuolloin hyvin tunnettu ja tutkittu.

Joten yksi lauhdutinlevyistä toimii tässä ohuena liikkuvana kalvona, joka on herkkä äänille. Kalvo osoittautuu ohueksi ja herkäksi, koska sen valmistukseen on perinteisesti käytetty ohutta muovia, jossa on ohuin kulta- tai nikkelikerros. Tämän mukaisesti toisen kondensaattorilevyn on oltava kiinteästi paikallaan.

Kun vaihtuva äänenpaine vaikuttaa ohueen levyyn, se saa sen värisemään – tai siirtymään kohti toista kondensaattorilevyä ja sitten poispäin siitä. Tässä tapauksessa tällaisen säädettävän kondensaattorin sähköinen kapasiteetti vaihtelee ja muuttuu. Tämän seurauksena sähköpiirissä, johon tämä kondensaattori sisältyy, sähköä värähtely, joka toistaa kalvolle putoavan ääniaallon muotoa.

Levyjen välinen toimintasähkökenttä luodaan joko ulkoisen jännitelähteen (esim. akun) avulla tai levittämällä ensin polarisoitua materiaalia pinnoitteeksi jollekin levylle (elektreettimikrofoni on kondensaattorimikrofonin tyyppi).

Tässä on käytettävä esivahvistinta, koska signaali on erittäin heikko, koska kapasitanssin muutos äänestä osoittautuu erittäin pieneksi, kalvo värähtelee tuskin havaittavasti. Kun esivahvistinpiiri lisää audiosignaalin amplitudia, jo vahvistettu signaali reititetään sitten vahvistimeen… Tästä syystä kondensaattorimikrofonien ensimmäinen etu – ne ovat erittäin herkkiä jopa erittäin korkeilla taajuuksilla.

Dynaaminen mikrofoni

Dynaamisen mikrofonin syntyminen on saksalaisten tiedemiesten ansiota Gervin Erlach ja Walter Schottky… Vuonna 1924 he esittelivät uudentyyppisen mikrofonin, dynaamisen mikrofonin, joka ylitti huomattavasti edeltäjänsä hiilestä lineaarisuuden ja taajuusvasteen suhteen ja ylitti kondensaattorin alkuperäisissä sähköisissä parametreissaan. He asettivat aallotetun nauhan erittäin ohuesta (noin 2 mikronia paksusta) alumiinifoliosta magneettikenttään.

Vuonna 1931 amerikkalaiset keksijät paransivat mallia. Tøres ja Vente… He tarjosivat dynaamisen mikrofonin induktorin kanssa… Tätä ratkaisua pidetään edelleen parhaana äänitysstudioille.

Dynaaminen mikrofoni perustuu sähkömagneettisen induktion ilmiö… Kalvo on kiinnitetty ohueen kuparilankaan, joka on kiedottu kevyen muoviputken ympärille pysyvässä magneettikentässä.

Äänivärähtelyt vaikuttavat kalvoon, kalvo värähtelee toistaen ääniaallon muotoa, siirtäen liikkeensä langalle, lanka liikkuu magneettikentässä ja (sähkömagneettisen induktion lain mukaisesti) indusoituu sähkövirta langassa, toistaen äänen muotoa, putoaa kalvolle.

Koska muovituella varustettu lanka on melko kevyt rakenne, se osoittautuu erittäin liikkuvaksi ja erittäin herkäksi, ja sähkömagneettisen induktion indusoima vaihtojännite on merkittävä.

Elektrodynaamiset mikrofonit on jaettu kelamikrofoneihin (joissa on kalvo magneetin rengasmaisessa raossa), nauhamikrofoneihin (joissa aallotettu alumiinifolio toimii kelamateriaalina), isodynaamisiin jne.

Klassinen dynaaminen mikrofoni on luotettava, sen amplitudiherkkyys on laaja äänitaajuusalueella ja se on edullinen valmistaa. Se ei kuitenkaan ole riittävän herkkä korkeilla taajuuksilla ja reagoi huonosti äkillisiin äänenpaineen muutoksiin – nämä ovat sen kaksi päähaittaa.

Dynaaminen nauhamikrofoni eroaa siitä, että magneettikentän muodostaa kestomagneetti napakappaleilla, joiden välissä on ohut alumiininauha, joka korvaa kuparilangan.

Nauhalla on korkea sähkönjohtavuus, mutta indusoitunut jännite on pieni, joten se on lisättävä piiriin tehostettava muuntaja… Hyödyllinen äänisignaali poistetaan tällaisessa piirissä muuntajan toisiokäämillä.

Dynaamisen nauhamikrofonin taajuusalue on hyvin tasainen, toisin kuin perinteisellä dynaamisella mikrofonilla.

Mikrofonit käyttävät kestomagneettimateriaalina kovia magneettiseoksia, joissa on korkea jäännösinduktio (esim. NdFeB). Runko ja rengas on valmistettu pehmeistä magneettiseoksista (esim. sähköteräs tai permaloidi).

Pietsosähköinen mikrofoni

Uuden sanan äänitekniikassa puhuivat venäläiset tiedemiehet Rževkin ja Jakovlev vuonna 1925. He ehdottivat täysin uutta lähestymistapaa äänen muuntamiseen virtavärähtelyiksi – pietsosähköisen mikrofonin. Äänenpaineen toiminta altistuu pietsosähköinen kristalli.

Ääni vaikuttaa sauvaan yhdistettyyn kalvoon, joka puolestaan ​​on kiinnitetty pietsosähköiseen. Pietsokide vääntyy sauvan värähtelyjen vaikutuksesta, ja sen liittimiin ilmestyy jännite, joka toistaa tulevan äänen muodon. Tätä jännitettä käytetään hyödyllisenä signaalina.