7.2 Микрофоны для систем подслушивания и их классификация

Микрофон как основной и наиболее широко применяемый элемент акустического приемника можно представить в виде последовательного ряда функциональных звеньев. В первом акустическом звене в результате взаимодействия конструкции микрофона и звукового поля формируется механическая сила, зависящая от громкости звука, частоты звукового сигнала, размеров и формы корпуса микрофона и его акустических входов, расстояния между ними и угла падения звуковой волны относительно оси микрофона. Первое звено определяет характеристику направленности микрофона и по существу представляет собой акустическую антенну.

Второе звено обеспечивает преобразование механической силы акустической волны в колебания подвижной части микрофона – мембраны. Его свойства определяются расположением, величиной и частотной зависимостью входящих в него акусто-механических элементов. Это звено определяет амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) микрофона.

Третье звено представляет собой электромеханический преобразователь колебаний мембраны в электрический сигнал и определяет чувствительность микрофона. Четвертое электрическое звено выполняет функцию согласования преобразователя с последующей электрической цепью и характеризуется внутренним или выходным сопротивлением микрофона как источника сигнала.

При подключении микрофона к входным цепям усилителя (нагрузке) с комплексным сопротивлением Z_н напряжение на нем равно U_н = Е_мZ_н/ (Z_м + Z_н), где Е_м и Z_м – выходные напряжения и сопротивления микрофона (рис.7.2)

Рисунок 7.2 - Эквивалентная электрическая схема микрофона

Напряжение на нагрузке максимально, т.е. U_н Е_м, при Z_мZ_н. Следовательно, для повышения напряжения на нагрузке необходимо выполнить условия Z_н Z_м .

Микрофоны классифицируется по различным признакам, указанными на рисунке 7.3.

Рисунок 7.3 - Классификация микрофонов

Угольный микрофон представляет собой круглую коробочку с гранулированным древесным углем, закрываемую тонкой металлической упругой крышкой – мембраной. К электроду, укрепленному на дне коробочки, и мембране подводится постоянное напряжение, под действием которого в массе угольного порошка протекает электрический ток. Принцип работы угольного микрофона основан на изменении под действием акустической волны сопротивления угольного порошка, находящегося между мембраной и неподвижными электродами. Номинальное сопротивление угольного микрофона зависит от зернистости и технологии обработки порошка и других факторов. Это сопротивление может составлять у низкоомных микрофонов 35-65 Ом, среднеомных – 65-145 Ом и высокоомных 145-300 Ом. Угольные микрофоны имеют низкую стоимость, высокую чувствительность, обеспечивают возможность без дополнительного усиления передачу электрических сигналов на большие (десятки км) расстояния. Это обстоятельство обуславливает широкое применение угольных микрофонов в проводной телефонной связи. Однако они узкополосные и для передачи более широкополосных, чем речь, акустических сигналов не применяются.

В электродинамическом микрофоне катушка из тонкой проволоки жестко связана с мембраной из полистирольной пленки или алюминиевой фольги и постоянно находится в воздушном зазоре постоянного магнита. При колебаниях катушки в ней возникает ЭДС, значение которой пропорционально громкости звука. Динамические микрофоны относительно просты, надежны в работе в широком диапазоне температур и влажности, устойчивы к сотрясениям и широко применяются в различных звукоусилительной и звукозаписывающей аппаратуре.

В электромагнитном микрофоне в результате колебаний мембраны из ферромагнитного материала в обмотке неподвижной катушки с сердечником, по которой протекает постоянный ток, возникает ЭДС индукции, величина которой эквивалентна интенсивности звука.

Конденсаторный микрофон представляет собой капсуль, состоящий из 2-х параллельно расположенных пластин – электродов, один из которых массивный, другой – тонкая мембрана. Электроды образуют конденсатор, емкость которого зависит от площади пластин и расстояния между ними. К электродам подводится через резистор поляризующее постоянное напряжение. При воздействии на мембрану звуковых волн изменяются расстояния между электродами и, соответственно, емкость конденсатора. В результате этого через резистор протекает ток, амплитуда которого пропорциональна звуковому давлению на мембрану. При расстоянии между обкладками 20-40 мкм и поляризующем напряжении в несколько десятков вольт чувствительность микрофона достигает 10-20 мВ/Па.

Разновидностью конденсаторного микрофона является электретный микрофон, мембрана которого выполнена из полимерных материалов (смол), способных в сильном электрическом поле и при высокой температуре заряжаться и сохранять электрический заряд продолжительное время. Такие материалы называют электретами. Мембрана из электрета металлизируется, между пластинами после заряда возникает разность потенциалов 45-130 В. Электретные микрофоны не нуждаются во внешнем источнике и широко применяются в звукозаписывающей аппаратуре, в том числе для негласного прослушивания.

Действие пьезоэлектрического микрофона основано на возникновении ЭДС на поверхности пластинок из пьезоматериала, механически связанных с мембраной. Колебания мембраны под давлением акустической волны передаются пьезоэлектрической пластине, на поверхности которой возникают заряды, величина которых соответствует уровню громкости акустического сигнала.

К основным характеристикам микрофонов относятся : чувствительность, частотная характеристика, характеристика направленности и уровень собственного шума. Чувствительность определяется отношением напряжения U на выходе микрофона к звуковому давлению P на его входе при номинальной нагрузке:

(7.1)

Чувствительность микрофона определяется частотой акустического сигнала, так как от частоты зависит внутреннее сопротивление. Для определения средней чувствительности вводится понятие среднеквадратичного значения в номинальном диапазоне частот.

Чувствительность, выраженная в децибелах относительно величины 1 В/(Н/м), называется уровнем чувствительности.

Стационарным уровнем чувствительности называется, выраженное в децибелах отношение U_н при номинальной нагрузке R_н при звуковом давлении 1 Па = 1 Н/м к напряжению U, соответствующему мощности P₀=1мВт. Зависимость уровня чувствительности от частоты называется частотной характеристикой чувствительности.

Характеристика направленности представляет собой зависимость чувствительности микрофона от угла между рабочей осью микрофона (направление, по которому микрофон имеет наибольшую чувствительность) и направлением на источник звука. Эту характеристику определяют две полосы частот. Нормированная характеристика направленности, т.е. зависимость отношения чувствительности E_q , измеренной под углом q, к осевой чувствительности Е₀ , определяется выражением

(7.2)

Большинство микрофонов имеет осевую симметрию. По характеристике направленности микрофоны, используемые для ведения акустической разведки, делятся на направленные (односторонне направленные) и остронаправленные. Графическое представление характеристик направленности называют диаграммой направленности, которую часто представляют в полярных координатах.

Коэффициент направленности G – отношение квадрата осевой чувствительности микрофона в свободном поле Е₀ к среднеквадратичной чувствительности микрофона по всем радиальным направлениям Е_qs :

(7.3)

Его определяют для полосы частот.

Уровень собственного шума микрофона L , приведенный к акустическому входу, определяют как уровень эквивалентного звукового давления P_ш, при воздействии которого на микрофон получилось бы выходное напряжение, равное выходному напряжению микрофона U_ш , развиваемому им в отсутствии звуковых колебаний:

L = 20 lg (P_ш/P₀),

Где P_ш = U_ш/Е_ш; Р_о = 2*10^-5 Па. (7.4)

Обобщенные характеристики акустических микрофонов приведены в табл.7.1.

Таблица 7.1 - Обобщенные характеристики акустических микрофонов

№ n/n	Тип микрофона	Диапазона частот, Гц	Неравномерность АЧХ, дБ	Чувствительность на f = 1000 Гц,Вм2/н
1	2	3	4	5
1	Угольные порошковые	200-4000	20	1000
2	Электродинамические	30-15000	12	1
3	Электромагнитные	150-5000	20	5
4	Конденсаторные (с дополнительным источником напряжения)	30-15000	5	5
5	Электретные	20-18000	2	1
6	Пьезоэлектрические	100-5000	15	50

Примечание. Чувствительность микрофона приведена в вольтах при площади мембраны 1м² и осевом давлении в 1 Ньютон (Н). В системе СИ эта характеристика измеряется в мВ/Па.