Как работи микрофонът, видове микрофони

За преобразуване на звуковите вибрации в електрически ток се използват специални електро-акустични устройства, наречени микрофони. Името на това устройство е свързано с комбинация от две гръцки думи, които се превеждат като „малък“ и „глас“.

Микрофонът е преобразувател на акустични вибрации във въздуха в електрически вибрации.

Принципът на действие на микрофона е, че звуковите вибрации (всъщност колебания в налягането на въздуха) влияят на чувствителната мембрана на устройството, а вече вибрациите на мембраната предизвикват генериране на електрически вибрации, тъй като именно мембраната е свързана с частта от устройството, която генерира електрически ток, чието устройство зависи от вида на специфичния микрофон.

По един или друг начин днес микрофоните се използват широко в различни области на науката, технологиите, изкуството и пр. Те се използват в аудио оборудване, в мобилни джаджи, използват се за гласова комуникация, за запис на глас, в медицинска диагностика и при ултразвукови изследвания. те служат като сензори и в много, много други области на човешката дейност човек просто не може без микрофон под една или друга форма.

Микрофоните имат различен дизайн, тъй като в различните видове микрофони различни физични явления са отговорни за генерирането на електрически трептения, основните от които са: електрическо съпротивление, електромагнитна индукция, промяна в капацитета и пиезоелектричен ефект… Днес според принципа на устройството могат да се разграничат три основни типа микрофони: динамични, кондензаторни и пиезоелектрични. Досега на някои места обаче има и въглеродни микрофони и с тях ще започнем нашия преглед.

Въглероден микрофон

През 1856 г. френски учен Дю Монсел публикува своето изследване, което демонстрира, че дори при малка промяна в зоната на контакт на графитни електроди, тяхното съпротивление към потока на електрически ток се променя доста значително.

Двайсет години по -късно, американски изобретател Емил Берлинер създаде първия в света въглероден микрофон, базиран на този ефект. Това се случва на 4 март 1877 г.

Работата на микрофона Berliner се основаваше точно на свойството да контактува с въглеродни пръти да променя съпротивлението на веригата поради промяна в областта на проводимия контакт.

Още през май 1878 г. е дадено развитието на изобретението Дейвид Хюз, който инсталира графитен прът със заострени краища и фиксирана към него мембрана между чифт въглеродни чаши.

Когато мембраната вибрира от действието на звука върху нея, контактната площ на пръта с чашите също се променя, а също и съпротивлението на електрическата верига, към която е свързана пръчката. В резултат на това токът във веригата се промени след вибрациите на звука.

Томас Алва Едисън отиде още по -далеч — той замени пръта с въглищен прах. Авторът на най -известния дизайн на въглеродния микрофон е Антъни Уайт (1890). Именно тези микрофони все още могат да бъдат намерени в слушалките на стари аналогови телефони.

Въглеродният микрофон е проектиран и работи по следния начин. Въглеродният прах (гранули), затворен в запечатана капсула, се намира между двете метални плочи. Една от плочите от едната страна на капсулата е свързана с мембраната.

Когато звукът действа върху мембраната, той вибрира, предавайки вибрациите на въглеродния прах. Праховите частици вибрират, като от време на време променят зоната на контакт помежду си. По този начин електрическото съпротивление на микрофона също се колебае, променяйки тока във веригата, в която е свързан.

Първите микрофони бяха свързани последователно с галванична батерия като източник на напрежение.

Когато такъв микрофон е свързан към първичната намотка на трансформатора, е възможно да се премахне звукът, който се колебае във времето със звука, действащ върху мембраната от вторичната му намотка електрическо напрежение… Въглеродният микрофон има висока чувствителност, което прави възможно в някои случаи да се използва дори без усилвател. Въпреки че въглеродният микрофон има значителен недостатък — наличие на значителни нелинейни изкривявания и шум.

Кондензаторен микрофон

Кондензаторният микрофон (който се основава на принципа на промяна на електрическия капацитет под въздействието на звук) е изобретен от американски инженер Едуард Венте през 1916 г. Способността на кондензатора да променя капацитета в зависимост от промяната в разстоянието между неговите плочи вече беше добре известна и проучена по това време.

Така че, една от кондензаторните плочи действа тук като тънка подвижна мембрана, чувствителна към звук. Мембраната се оказва лека и чувствителна поради своята тънкост, тъй като за производството й традиционно се използва тънка пластмаса с най -тънкия слой злато или никел. Съответно втората плоча на кондензатора трябва да бъде фиксирана неподвижно.

Когато променливото звуково налягане действа върху тънка плоча, тя я кара да вибрира — или се приближава към втората плоча на кондензатора, след което се отдалечава от нея. В този случай електрическият капацитет на такъв вид променлив кондензатор варира и се променя. В резултат на това в електрическата верига, в която е включен този кондензатор, електричество трептене, повтарящо формата на звуковата вълна, падаща върху мембраната.

Работното електрическо поле между плочите се създава или от външен източник на напрежение (например батерия), или чрез първоначално нанасяне на поляризиран материал като покритие за една от плочите (електретен микрофон е вид кондензаторен микрофон).

Тук задължително се използва предусилвател, тъй като сигналът е много слаб, тъй като промяната в капацитета от звука се оказва изключително малка, мембраната вибрира едва забележимо. Когато веригата на предусилвателя увеличи амплитудата на аудио сигнала, вече усиленият сигнал се насочва след това към усилвателя… Оттук и първото предимство на кондензаторните микрофони — те са супер чувствителни дори при много високи честоти.

Динамичен микрофон

Раждането на динамичен микрофон е заслуга на немски учени Гервин Ерлах и Уолтър Шотки… През 1924 г. те предлагат нов тип микрофон — динамичен микрофон, който се представя значително по -добре от своя предшественик на въглерода по отношение на линейността и честотните характеристики и надминава своя кондензатор в оригиналните си електрически параметри. Те поставиха гофрирана панделка от много тънко (с дебелина около 2 микрона) алуминиево фолио в магнитно поле.

През 1931 г. моделът е подобрен от американски изобретатели. Tøres и Венте… Те предложиха динамичен микрофон с индуктор… Това решение все още се счита за най -доброто за звукозаписни студия.

Динамичният микрофон се основава на явление на електромагнитна индукция… Мембраната е прикрепена към тънка медна жица, обвита около лека пластмасова тръба в постоянно магнитно поле.

Звуковите вибрации действат върху мембраната, мембраната вибрира, повтаряйки формата на звуковата вълна, докато предава движенията си към проводника, проводникът се движи в магнитно поле и (в съответствие със закона за електромагнитната индукция) се предизвиква електрически ток в проводника, повтарящ формата на звука, падащ върху мембраната.

Тъй като проводник с пластмасова опора е доста лека конструкция, той се оказва много подвижен и много чувствителен, а променливото напрежение, индуцирано от електромагнитна индукция, е значително.

Електродинамичните микрофони се подразделят на микрофони с бобина (оборудвани с диафрагма в пръстеновидната междина на магнита), лентови микрофони (в които гофрираното алуминиево фолио служи като материал на бобината), изодинамични и др.

Класическият динамичен микрофон е надежден, има широк диапазон на чувствителност на амплитуда в аудио честотния диапазон и е евтин за производство. Въпреки това, той не е достатъчно чувствителен при високи честоти и реагира слабо на внезапни промени в звуковото налягане — това са два от основните му недостатъци.

Динамичният лентов микрофон се различава по това, че магнитното поле се създава от постоянен магнит с полюсни части, между които има тънка алуминиева лента, която е заместител на медна жица.

Лентата има висока електрическа проводимост, но индуцираното напрежение е малко, така че трябва да се добави към веригата повишаващ трансформатор… Полезен звуков сигнал се отстранява в такава верига от вторичната намотка на трансформатора.

Лентовият динамичен микрофон показва много еднакъв честотен диапазон за разлика от конвенционалния динамичен микрофон.

Като материал с постоянен магнит микрофоните използват твърди магнитни сплави с висока остатъчна индукция (например NdFeB). Тялото и пръстенът са изработени от меки магнитни сплави (например от електрическа стомана или пермалоид).

Пиезоелектрически микрофон

Нова дума в аудио технологията беше казана от руските учени Ржевкин и Яковлев през 1925 г. Те предложиха принципно нов подход за преобразуване на звука в текущи трептения — пиезоелектричен микрофон. Действието на звуковото налягане е изложено на пиезоелектричен кристал.

Звукът действа върху мембрана, свързана с пръчка, която от своя страна е прикрепена към пиезоелектрик. Пиезокристалът се деформира под действието на вибрации на пръта и на неговите клеми се появява напрежение, повтарящо формата на падащия звук. Това напрежение се използва като полезен сигнал.