Общие сведения

Микрофо́н (от греч. μικρός — маленький, φωνη — звук) — электроакустический прибор, преобразовывающий звуковые колебания в колебания электрического тока, устройство ввода.

Микрофон является первичным звеном в системах звукозаписи и звукоусиления (в студийных условиях, концертных залах, стадионах, производственных помещениях и др.). Выбор его параметров в значительной степени определяет качество звучания музыки и речи, которые с помощью систем радиовещания, телевидения, мультимедиа, звукозаписи и др. передаются многомиллионной аудитории слушателей. Именно поэтому к микрофонам выдвигаются особые требования по техническим, конструктивно-эстетическим характеристикам и надежности.

В соответствии с действующими международными рекомендациями IEC 268-4 и отечественным стандартом ГОСТ 16123-88 определение микрофона вводится следующим образом: "Микрофон — устройство, с помощью которого акустические колебания воздушной среды преобразуются в электрические колебания". Микрофон состоит из чувствительного элемента (капсюля) и согласующего устройства. Блок питания, предварительный усилитель и соединительные кабели входят в комплект микрофона, если они являются его неотъемлемой частью и указаны в технической документации на микрофон конкретного типа.

Современный микрофон имеет довольно сложное устройство. Например микрофон фирмы AKG он включает в себя капсюль конденсаторного типа, предусилитель, защитный экран, систему амортизаторов для крепления капсюля, разъемы, корпус с защитной решеткой и т. д. В конструкции цифрового микрофона, например, в модели Solution-D — одной из последних разработок фирмы Neumann, вместо предварительного усилителя в корпусе установлен аналого-цифровой преобразователь и цифровой процессор для предварительной обработки звука. Многообразие конструкций микрофонов, выпускаемых в настоящее время, чрезвычайно велико и продолжает постоянно увеличиваться.

Классификация микрофонов

Микрофоны классифицируются по различным признакам:

1. По принципу преобразования акустических колебаний, подразделяются на электродинамические, электромагнитные, электростатические, угольные, пьезоэлектрические и полупроводниковые. Электродинамические составляют большую группу катушечных и ленточных микрофонов широкого диапазона применения. К электростатическим микрофонам относятся конденсаторные и электретные микрофоны, используемые в большинстве случаев для профессиональных целей, имеют высокую чувствительность в свободном поле и хорошую частотную характеристику. Электромагнитные микрофоны не получили широкого применения из-за узкого частотного диапазона и большой неравномерности частотной характеристики. В микротелефонных трубках и в системах служебной связи находят широкое применение угольные и полупроводниковые микрофоны. К данной классификационной группировке можно отнести также пьезоэлектрические микрофоны, преобразование звуковых колебаний в которых обеспечивается материалами, работающими на изгиб.

2. По признаку приема звуковых колебаний включает в свой сосав три основные группы: микрофоны-приемники звукового давления; микрофоны-приемники градиента звукового давления и микрофоны комбинированные. Микрофоны, классифицируемые по рассматриваемому признаку, учитывающему особенности приема звуковых колебаний, определяют не только получаемую характеристику направленности, но и способы размещения микрофонов относительно источника звука. Это способствует правильному выбору микрофона в зависимости от требований направленности, которые, в свою очередь, определяются взаимным расположением источника звука, угловыми охватами звуковой панарамы, наличием посторонненго акустического шума в помещении и др.

3. По признаку характеристики направленности микрофоны подразделяются на всесторонне направленные, двусторонне направленные, односторонне направленные. Характеристикой направленности называют зависимость чувствительности микрофона от направления падения звуковой волны по отношению к оси микрофона. Она определяется отношением чувствительности Мα при падении звуковой волны под углом α относительно акустической оси микрофона к его осевой чувствительности:

φ = M_α/M₀

Направленность микрофона означает его возможное расположение относительно источников звука. Если чувствительность не зависит от угла падения звуковой волны, т. е. φ = 1, то микрофон называют ненаправленным, и источники звука могут располагаться вокруг него. А если чувствительность зависит от угла, то источники звука должны располагаться в пространственном угле, в пределах которого чувствительность микрофона мало отличается от осевой чувствительности.

4. По признаку электроакустических параметров микрофоны подразделяются на группы сложности: высшая, первая, вторая и третья. Микрофоны, отнесенные к высшей, первой и второй группам сложности применяются для передачи музыки и речи, для звукоусиления, звукозаписи и звукопередачи; микрофоны третьей группы сложности предназначены только для передачи речи.

Характеристики микрофонов

Микрофоны любого типа оцениваются следующими характеристиками:

1. Чувствительность микрофона - это отношение напряжения на выходе микрофона к воздействующему на него звуковому давлению при заданной частоте (как правило, 1000 Гц), выраженное в милливольтах на паскаль (мВ/Па). Чем больше это значение, тем выше чувствительность микрофона.

2. Номинальный диапазон рабочих частот - диапазон частот, в котором микрофон воспринимает акустические колебания и в котором нормируются его параметры.

3. Неравномерность частотной характеристики - разность между максимальным и минимальным уровнем чувствительности микрофона в номинальном диапазоне частот.

4. Модуль полного электрического сопротивления-нормированное значение выходного или внутреннего электрического сопротивления на частоте 1 кГц.

5. Характеристика направленности - зависимость чувствительности микрофона (в свободном поле на определённой частоте) от угла между осью микрофона и направлением на источник звука.

6. Уровень собственного шума микрофона - выраженное в децибелах отношение эффективного значения напряжения, обусловленного флуктуациями давления в окружающей среде и тепловыми шумами различных сопротивлений в электрической части микрофона, к напряжению, развиваемому микрофоном на нагрузке при давлении 1 Па при воздействии на микрофон полезного сигнала с эффективным давлением 0,1 Па.

Характеристика направленности микрофонов

Диаграмма направленности является одной из основных характеристик любого микрофона и описывает его способность реагировать на звуки, поступающие с различных направлений. В этом отношении различные микрофоны могут отличаться друг от друга очень сильно: одни, например, воспринимают звук более-менее равномерно во всех направлениях, а другие реагируют только на одно какое-нибудь направление и остаются «глухими» к остальным звукам.

По признаку характеристики направленности микрофоны подразделяются на три типа: с ненаправленной (круговой) диаграммой; двунаправленной диаграммой, односторонне направленной диаграммой. Кроме направленных микрофонов, существуют еще и остронаправленные.

Для однонаправленных микрофонов (кардиоидных, суперкардиоидных, и т. д.) угол между центральной линией (см. рисунок) и точкой, где эффективность микрофона значимо падает (разница достигает 3 дБ), считается половиной угла снятия звука. Типичный показатель для кардиоидного микрофона составляет 131° (65.5° по обе стороны центральной линии), значения для других видов микрофонов представлены ниже.  Угол снятия звука:  Всенаправленный микрофон _____360°  Кардиоидный микрофон__________131°  Суперкардиоидный микрофон_____115°  Гиперкардиоидный микрофон_____105°

Ненаправленные (круговые) микрофоны используются для записи звука со всех направлений. Они обеспечивают одинаковое качество записи независимо от расположения источника звука, и позволяет записывать одновременно несколько голосов. Большой минус в том, что круговой микрофон записывает не только голос, но и посторонние шумы.

Круговые микрофоны распространены при записи ударных установок или групп акустических инструментов. Обычно их используют на расстоянии не менее 30 см от музыкального инструмента или нескольких вокалистов.

Всенаправленные микрофоны:

- зависят от акустики помещения: не отсекают эхо;

- не обеспечивают акустическую изоляцию, разве что только при малом расстоянии от источника звука до микрофона;

- имеют низкую чувствительность к звукам дыхания;

- практически не обладают «эффектом близости»;

- имеют расширенные низкие частоты у конденсаторных микрофонов, что очень полезно при работе с органом, барабаном и симфоническим оркестром.

Микрофоны двустороннего направления имеют одинаковую чувствительность с фронтальной и тыльной сторон подвижного элемента, а чувствительность их в поперечном направлении равна нулю. Характеристики направленности этих микрофонов в полярной системе координат имеют форму восьмерки. То есть, это своего рода два обычных направленных микрофона, с расположением диафрагм в противоположные друг от друга стороны. Используется для записи вокалистов или небольшого количества музыкальных инструментов. Является хорошим решением для одновременного снятия звука инструмента и естественной реверберации помещения.

Микрофоны с направленностью «восьмёрка»:

- используются, в частности, для интервью, когда собеседники сидят напротив друг друга или для записи и озвучивания дуэтов;

- обеспечивают максимальную изоляцию при overhead-записи;

- применяются для стереозаписи по методу Блюмляйна (Blumlein), когда используются два скрещенных микрофона-«восьмёрки».

Микрофоны одностороннего направления предназначены для записи звука от источника, который расположен прямо перед его диафрагмой, те звуки, которые будут исходить сзади (и с боков – в зависимости от направленности) микрофона – не будут слышны. Характеристика направленности подобных микрофонов по форме близка к кардиоиде, поэтому их часто называют кардиоидными микрофонами. Наибольшая чувствительность достигается на направлении вдоль оси микрофона (0 градусов), а наименьшая - в противоположном (180 градусов отклонения). Эффективный угол работы кардиоидного микрофона составляет 130 градусов, то есть по 65 градусов в любую сторону от оси перед микрофоном. Таким образом кардиоидный микрофон улавливает около трети пространственных звуков по сравнению со всенаправленным. Однонаправленные микрофоны отделяют нужный прямой звук от ненужных боковых и пространственных.

Применение кардиоидного микрофона часто необходимо. Например, в случае подзвучивания гитарного усилителя, стоящего рядом с ударной установкой - это единственный способ уменьшить проникновение звука ударных в канал гитары.

Однонаправленные микрофоны могут иметь различные варианты кардиоидной диаграммы. Два из них носят названия суперкардиоиды и гиперкардиоиды. Обе характеристики имеют меньшие, чем кардиоида рабочие углы (115 в случае суперкардиоиды и 105 в случае гиперкардиоиды) а также сильнее отсекают пространственные звуки. В то время, как кардиоида имеет наименьшую чувствительность сзади (180 градусов отклонения), у кардиоиды направление наименьшей чувствительности составляет 126 градусов, а у гиперкардиоиды - 100. При правильной установке они обеспечивают более фокусированный съем звука, и меньше количество пространственного шума, чем у кардиоиды. Однако, они имеют зону улавливания непосредственно сзади (rear lobe). У суперкардиоиды подавление сзади составляет -12дБ, а у гиперкардиоиды - всего -6дБ. Хорошая кардиоида имеет подавление сзади, по меньшей мере -15-20 дБ.

Однонаправленные микрофоны могут не только отделить звучание одного инструмента от другого, но может также уменьшить обратную связь, допуская тем самым большее усиление. С этой точки зрения однонаправленные микрофоны предпочтительнее всенаправленных практически во всех задачах усиления звука.

Микрофоны с суперкардиоидной диаграммой направленности:

- имеют максимальную разницу между передней и задней областями чувствительности среди подобных микрофонов;

- обеспечивают большую изоляцию, чем микрофоны с кардиоидной направленностью;

- менее чувствительны к акустике помещения, чем микрофоны с кардиоидной направленностью.

Микрофоны с гиперкардиоидной диаграммой направленности:

- обеспечивают максимальную среди подобных им микрофонов нечувствительность к боковым звукам;

- обеспечивают максимальную акустическую изоляцию: защищают от неблагоприятных эффектов помещения, feedback (эффект обратной связи) и посторонних шумов;

- препятствуют утечке сигнала.

Особую группу представляют остронаправленные микрофоны, которые применяются в случаях, когда нет возможности подойти близко к источнику полезного сигнала. Они имеют акустическую антенну, сужающую диаграмму направленности.

Микрофоны типа shotgun обычно состоят из односторонне направленного капсюля, нагруженного на трубку с отверстиями (или прорезями), закрытыми тканью (см. рисунок ). Трубка представляет собой своего рода линию задержки, так как при падении звуковых волн под углом α к оси микрофона они достигают мембраны с разными сдвигами фаз:

Δϕ= ω di(1- cosα) /c, где di — расстояние от начала трубки до отверстия i, с — скорость звука, ω — круговая частота. При этом из-за интерференции звуковых волн на поверхности мембраны происходит частичное или полное их гашение (в зависимости от угла падения), и давление на поверхности мембраны уменьшается. Ткань на отверстиях трубки является дополнительным акустическим сопротивлением, которое возрастает по мере приближения к капсюлю микрофона. В некоторых конструкциях используют постепенное уменьшение диаметра отверстий. Существенное обострение характеристики направленности начинается с частот, где длина трубки больше половины длины волны L> λ/2.

Существуют два способа получения особенно острых характеристик направленности. Один состоит в том, чтобы сфокусировать звуковую волну, исходящую из интересующую нас области пространства, в точке, где установлен микрофон. Фокусировка даёт усиление нужного звука по сравнению с прочими, мешающим нам источниками, излучающими звук по другим направлениям. Второй способ состоит в том, чтобы звук, приходящий сбоку, автоматически самоуничтожался, прежде чем успеет дойти до микрофона. Усиление полезного сигнала здесь не происходит, однако уменьшается уровень звукового давления посторонних источников. Оба способа применимы лишь до тех длин волн, которые не больше максимальных размеров конструкции, обеспечивающей модификацию звукового поля.

О бычно звук фокусируют с помощью параболического рефлектора, в фокусе которого находится микрофонный капсюль (ненаправленный или направленный), обращенный фронтальной стороной к рефлектору. Все звуковые лучи, падающие параллельно оси, концентрируются в фокусе. До фокуса они проходят равное расстояние, то есть попадают на мембрану в одинаковой фазе, следовательно, происходит суммирование звуковых давлений и усиление сигнала. Звуковые волны, приходящие под углом к оси, рассеиваются и не попадают на микрофон. На низких частотах (ка > 0,5, где к=ω/с, а — радиус рефлектора) рефлектор практически не отражает и усиления на оси не происходит, на более высоких частотах (0,5 < ка < 3) усиление растет примерно с крутизной 6 дБ/окт и микрофон становится остронаправленным. Реальные размеры рефлектора — от 0,3 до 1 м, поэтому на низких частотах (примерно до 200 Гц) он практически не эффективен. Такие микрофоны (в силу своей громоздкости) используются редко — иногда в натурных съемках, для записи голосов птиц и т. п.

В первых моделях остронаправленных микрофонов использующих сдвиг по фазе для выделения требуемого сигнала на фоне шумов и помех, применялась конструкция в виде пучка трубок разной длины, которые принимали волновой фронт на разных расстояниях от плоскости мембраны. Посторонний сигнал, приходивший под углом к акустической оси микрофона, проходил в трубках разные по длине пути. Когда различные части одного и того же волнового фронта складывались наконец у мембраны микрофона, то фаза некоторых из них так изменилась в силу дополнительной разности хода, что в целом они сводили на нет, ту часть которая прошла более короткий путь. Впоследствии было обнаружено, что одна трубка с соответствующим набором отверстий в ней функционирует не хуже пучка трубок; по принципу такой "Линейной группы" работает и сверх остронаправленный микрофон, называемый иногда "Микрофонной пушкой". Главный принцип работы микрофонной пушки состоит в том, чтобы различные части одной и той же волны, приходящей к микрофону сбоку оказались в противофазе. Такой метод обладает двумя существенными недостатками. Первый присущ всем остронаправленным микрофонам: при колебаниях, длинна волны которых больше габаритов конструкции, характеристика направленности становиться такой же, как характеристика направленности применяемого в них капсюля. У микрофонной "пушки" с интерференционной трубкой длинной около 40 см угол раскрытия характеристики направленности для частот выше 1500 Гц составляет 50-60*. Однако на 250 Гц характеристика направленности в значительной мере близка к кардиоиде (т.е. к характеристике направленности капсюля без фазосдвигающей трубки). Поэтому микрофонная пушка воспринимает такие шумы, как грохот городского транспорта, спектр которого находится в основном в области нижних частот. Правда, эту помеху можно несколько ослабить, включив после микрофона обрезной фильтр.

"Пушка" не обладает острой характеристикой направленности для диффузных реверберирующих отзвуков. Это объясняется тем, что отражённый звук попадает в микрофон по самым произвольным путям, поэтому и явление взаимного уничтожения волны из-за поворота фазы не возникает. Микрофонную пушку специально применяют для выделения одного говорящего в большой группе людей, например зрителей в телестудии, причём для этой группы поставлен отдельный каротидный микрофон, а микрофонная "пушка" добавляет эффект присутствия для того, кто выступает в данный момент.