Фокусирующая система рефлекторного типа.

ГЛАВА 3. МИКРОФОНЫ
3.1. Общие сведения. Функциональная структура
Микрофоном (МФ) называется электроакустический аппарат, осуществляющий преобразование акустических колебаний в воздушной среде в электрические сигналы. Иначе говоря, МФ представляет собой устройство, на
«вход» которого действует звуковое давление p, создаваемое источником
звука в данной точке поля, а на выходе получается электрический сигнал с
напряжением u. При этом имеется в виду, что величина p – звуковое давление
в свободном поле, т.е. при отсутствии микрофона и отраженных волн в выбранной точке поля. Эффективность такого преобразования в целом оценивается отношением напряжения на выходе микрофона к звуковому давлению на
его входе и называется чувствительностью МФ, которую сейчас принято
нормировать в мВ/Па.
Современный микрофон представляет собой достаточно сложную систему, которую можно представить цепочкой функциональных звеньев или
ступеней, отображающих характер происходящих в них частных преобразований (рис. 3.1). В соответствии этими представлениями, микрофон, рассматриваемый как комплексная электроакустическая система, может быть
разделен на ряд подсистем (звеньев), а именно: акустическую, акустикомеханическую, электромеханическую (механоэлектрическую) и электрическую. Название каждой подсистемы определяется характером и физической природой происходящих в ней процессов. В общем случае чувствительность микрофона М во всем диапазоне звуковых частот может
быть представлена произведением
M 
u F ξ


p p F
e u
  ,
ξ e
(3.1)
где p - звуковое давление в свободном поле; F - внешняя сила, действующая на входы микрофона;  - колебательная скорость активной
мембраны; e - ЭДС, создаваемая преобразователем; u- напряжение на
F ξ e u
; ; ; представляют сонагрузочном сопротивлении. Отношения
p F ξ e
бой парциальные чувствительности соответственно акустической, акустикомеханической, электромеханической и электрической подсистем микрофона,
о которых говорилось ранее. Оговоримся сразу, что, как будет видно из дальнейшего изложения, чисто аналитически эти парциальные чувствительности не всегда удается разделить, например, в однонаправленных микрофонах с внутренней фазосдвигающей цепочкой.
1. Свойства акустического звена, или акустической антенны, характеризуют микрофон как приемник звука. Звуковое давление, создаваемое источниками звука, воздействует на акустический вход (или входы) микрофона. В
результате взаимодействия приемника звука и звукового поля формируется
механическая сила, зависящая от ряда факторов: размеров и формы корпуса микрофона, расстояния между акустическими входами, от угла падения звуковой волны относительно акустической оси микрофона, характера
звукового поля.
2. Акустико-механическое звено служит для согласования в заданном
диапазоне частот силы (или сил), формируемых приемником (антенной),
с величиной колебательной скорости (для динамических микрофонов)
или колебательного смещения (для конденсаторных) подвижного элемента преобразователя. Свойства этого звена определяются как его структурой, так и величиной входящих в него акустико-механических элементов
(масс, гибкостей, активных сопротивлений). В конструктивном отношении эти элементы представляют собой различные зазоры, щели, отверстия, объемы, пористые элементы, находящиеся обычно внутри капсюля
микрофона.
Это звено определяет частотную характеристику чувствительности
(ЧХЧ) микрофона и, совместно с акустическим звеном, формирует вид
характеристики направленности (ХН) в широком диапазоне частот.
3. Электромеханическое звено представляет собой электромеханический
преобразователь (см. главу 2), работающий в микрофонах в режиме генератора и преобразующий механические колебания подвижного элемента в
электродвижущую силу (ЭДС). Эффективность и стабильность работы преобразователя зависит также от ряда факторов, например, в конденсаторных
микрофонах от площади мембраны и неподвижного электрода, величины зазора между ними, напряжения поляризации, механических и электрических свойств материала мембраны и т. д. Эффективность преобразователя принято характеризовать коэффициентом электромеханической
связи e ξ .
4. Электрическое звено обычно представляется в виде электрической
схемы, состоящей из обычных электрических элементов. Это звено выполняет функцию согласования электрической стороны преобразователя с
последующим усилительным устройством (например, в конденсаторных
микрофонах согласует большое емкостное сопротивление капсюля с от-
носительно низкоомным входом последующего усилительного устройства). Это звено определяет такой немаловажный параметр, как собственный шум микрофона. Электрическое звено осуществляет также перераспределение ЭДС, наводимой в преобразователе, между нагрузкой и
другими элементами электрической схемы, что, естественно, влияет на
чувствительность микрофона. В некоторых моделях электрическая схема
служит для коррекции частотной характеристики.
Тип приемника и тип преобразователя являются определяющими
суть микрофона звеньями. Акустико-механическое и электрическое звено согласующими, основная задача которых - обеспечение минимальных потерь
полезного сигнала, а также получение требуемой для данного микрофона частотно-пространственной характеристики чувствительности (ЧПХЧ) Под
ЧПХЧ микрофона понимают [1, 5, 6, 8, 13] функциональную зависимость
чувствительности микрофона, одновременно от нескольких параметров:
частоты, угла падения звуковой волны относительно акустической оси и
расстояния от источника звука R, т.е. М(f, θ, R).
3.2. Классификация, основные параметры и характеристики
Основными классификационными признаками микрофонов являются:
тип приемника (или характеристика направленности); тип преобразователя;
назначение (область применения); конструктивное исполнение; способ связи
с трактом (проводные, радиомикрофоны).
Как видно, основными факторами классификации являются ведущие подсистемы: акустическая и электромеханическая.
Тип приемника определяет направленные свойства МФ, выражаемые
обычно характеристикой направленности (ХН).
Характеристикой направленности R(θ) называют зависимость чувствительности при произвольном угле падения звука θ к его осевой чувствительности (т.е. при θ = 0°) в свободном поле на частоте f или в полосе частот.
Аналитически ХН обычно представляют в виде « улитки Паскаля»:
R(θ) = M(θ)/ M(θ=0) = α + β cos θ .
(3.2)
По этому признаку микрофоны делятся на:
- приемники давления (круговые, ненаправленные), где α =1, β =0;
- симметричные приемники разности или градиента давления («восьмерочные», «двунаправленные»), где α = 0, β =1;
- несимметричные приемники разности давления (односторонне направленные).
Последний тип приемника реализует такие ХН, как «кардиоида», «суперкардиоида», «гиперкардиоида», «субкардиоида», которые подробнее будут
рассмотрены дальше.
По направленности также различают комбинированные (акустически и
электрически) и остронаправленные микрофоны, в которых ХН имеет более
острую форму, чем это допускает формула (3.2), т.е. «улитка Паскаля».
Остронаправленные, в зависимости от способа обострения ХН, подразделяют на интерференционные («пушки»), фокусирующие (рефлекторные) и
биградиентные (градиента второго порядка).
По типу преобразователя (см. гл. 2) МФ бывают: угольные (в стационарных телефонных аппаратах), динамические (катушечные и ленточные),
конденсаторные (с внешним источником и электретные), пьезоэлектрические
(биморфные и пленочные) и другие. В профессиональной аппаратуре используются только динамические пи конденсаторные микрофоны.
По назначению МФ могут быть: бытовыми, специального назначения и
профессиональными. Последние также подразделяются по более узким признакам: для акустических измерений, звукозаписи музыки, вокала и художественной речи в студийных условиях, систем звукоусиления (музыки и речи),
диспетчерской связи и т.д.
По конструктивному исполнению (условиям эксплуатации) МФ бывают: ручными (для солистов), петличными (для крепления на одежде), для
различных музыкальных инструментов, граничного слоя (PZM), для трибун и
столов заседаний (на «гусиной шее»), для видео- и кинокамер, для уличных
репортажей и т.д. О назначении МФ и применимости их в тех или иных
условиях судят по совокупности их технических параметров и характеристик,
или иначе – по показателям качества.
При выборе микрофона необходимо четко понимать, для чего нужны и
что определяют те или иные его характеристики, т.к. различные цели применения МФ, как и различные условия эксплуатации часто накладывают и
весьма отличающиеся требования к ним.
Показатели, определяющие точность передачи спектра звука:
Номинальный диапазон частот – диапазон, в котором определяют параметры и характеристики микрофона. Задается fн ….. fв.
Неравномерность частотной характеристики чувствительности (ЧХЧ)
– отношение максимальной к минимальной величине чувствительности,
обычно выражаемой в дБ
N = 20lg Mmax / Mmin .
(3.3)
Эти два параметра в совокупности служат критерием правильности передачи спектра полезного сигнала от источника, находящегося на оси МФ.
Иначе говоря, эта величина определяет допустимые линейные (амплитудночастотные) искажения микрофона, а значит, с точки зрения восприятия,
определяют правильность передачи тембра звука.
Чтобы точнее передать нормируемую тенденцию ЧХЧ в различных частях
номинального диапазона, вводят типовую ЧХЧ, под которой понимают
усредненную ЧХЧ, присущую данной модели МФ, вносимую в техническую
документацию на этапе серийного производства [8, 10]. Отклонения индивидуальных ЧХЧ от типовой обычно не должны превышать 2-3 дБ.
Показатели МФ, определяющие соотношение сигнал-шум в тракте:
Чувствительность М - отношение ЭДС на выходе микрофона к звуковому давлению на заданной частоте (обычно это 1000 Гц) при угле падения
звука θ = 00. Обычно чувствительность измеряют в мВ/Па в условиях свободного поля, т.е. пространства, где влиянием отраженной от стен и других поверхностей звуковой энергией можно пренебречь.
Уровень эквивалентного звукового давления, обусловленный собственным
шумом МФ, - это отношение напряжения собственного шума на выходе МФ в
отсутствии внешнего звукового воздействия к напряжению, которое возникло бы при воздействии звукового давления нулевого уровня, т.е.
p0 = 2·10-5 Па:
Nш =20lgUш /(M·p0).
(3.4)
В конденсаторных МФ величину шума обычно определяет термический
шум высокоомного входного сопротивления предварительного усилителя, а
также шум транзисторов, диодов, ламп и т.д. В динамических МФ собственный шум обычно считают пренебрежимо малым, поэтому нормируют только
Уровень эквивалентного звукового давления, обусловленный воздействием
внешнего электромагнитного поля напряженностью 0,08 А/м на частоте 50
Гц.
Совокупность параметров M и Nш определяет соотношение сигнал-шум в
звуковом тракте, т.к. МФ является его первым звеном и источником полезного сигнала. Поэтому снижение чувствительности является нежелательным
фактором, повышение же чувствительности с пропорциональным возрастанием шума (например, за счет встроенного усилителя) не приводит к увеличению соотношения сигнал-шум в тракте. Соотношение сигнал-шум в МФ
можно вычислить следующим образом:
Nсш =20lg(M·p1) /uш = 94 – Nш .
(3.5)
Здесь за величину полезного сигнала принимается давление p1 =1 Па.
Показатели, определяющие защищенность МФ от акустического шума
При эксплуатации микрофонов в помещениях и на открытом воздухе
кроме полезного акустического сигнала всегда присутствуют акустические
шумы. Так как всегда стремятся снизить их воздействие на МФ, то важное
значение (наряду с правильным выбором рабочего расстояния до полезного
источника) имеют направленные свойства МФ, наиболее точное представление об этом дает его ХН - характеристика направленности (см. формулу
3.2). Однако в ряде случаев (например, при нахождении микрофона в дальнем поле от источника полезного сигнала), где велика доля хаотически распределенных отражений (диффузная составляющая), более адекватную характеристику защищенности МФ позволяет получить его коэффициент
направленности Ω. Его определяют, как отношение квадрата осевой чувствительности МФ в условиях свободного поля M0 к квадрату чувствительности усредненной по всем направлениям Mд (т.е. по диффузному полю)
на одной и той же частоте или в полосе частот. Аналитически связь Ω с R(θ)
определяется следующим образом:
Ω
2
π
2
 R θ  sin θ dθ

M2
0
M д2
.
(3.6, а)
0
I = 10lg Ω =20lgM0 /Mд
(3.6, б)
Здесь I – индекс направленности, являющийся логарифмическим эквивалентом Ω. Величина, равная Ω , показывает, во сколько раз соотношение «сигнал - акустический шум» у направленного МФ выше, чем у ненаправленного,
помещенного в ту же точку поля. Так у микрофонов с ХН «круг» Ω = 1, с ХН
«восьмерка» и «кардиоида» Ω = 3 , с ХН «гиперкардиоида» Ω = 4, с ХН «суперкардиоида» Ω ≈ 3,7 и т.д. Все эти параметры характеризуют соотношение
сигнал-шум на входе звукового тракта, т.е. в акустическом поле. Остронаправленные микрофоны могут иметь в среднем Ω ≈ 6 – 10, однако, как
правило, эта величина бывает весьма не постоянна по частоте.
Другие показатели качества микрофонов:
Динамический диапазон МФ определяется разностью уровней предельного звукового давления Nпр и рассмотренного ранее Nш , т.е.
D = Nпр - Nш .
(3.7)
За уровень предельного звукового давления принимают уровень, при котором
коэффициент гармонических искажений Кг на выходе МФ не превышает
установленной в технической документации величины (обычно для студийных микрофонов это 0,5 - 1 %, для МФ систем звукоусиления 1–3%, для измерительных микрофонов 5- 6%).
Допустимые потери полезного сигнала определяются через модуль полного электрического сопротивления МФ – Zc , Ом, и сопротивление нагрузки –
Rн, которым является обычно входное сопротивление микрофонного усилителя. Считается, что Rн следует выбирать в пределах
5Zс < Rн < 10Zс.
(3.8)
Верхний предел ограничивается емкостным сопротивлением кабеля между МФ и усилителем, нижний – величиной сигнала на нагрузке.
Применимость МФ в тех или иных условиях эксплуатации зависит также
от целого ряда конструктивных и эксплуатационных параметров, таких как
размеры, масса, тип и надежность разъемов, величины напряжения питания
(для КМ), дополнительных аксессуаров (подставка, ветрозащита, внутренняя
или внешняя амортизация, крепления и т.п.). Например, хороший для студийного использования микрофон может оказаться непригодным для уличных репортажей или систем звукоусиления речи в шумных или гулких помещениях.
3.3.Микрофон, как приемник звука. Акустические характеристики
Дифракционные коэффициенты и их характеристики
Свойства акустической антенны аналитически выражаются соотношением
F/p, которое, в свою очередь, можно представить произведением характеристик pм /p и F/pм. Первое из этих соотношений представляет собой коэффициент дифракции D, учитывающий изменение звукового давления на поверхности препятствия – микрофона (рис. 3.2) в сравнении с давлением в
свободном поле p. Второе имеет размерность площади, но для разных типов
приемников аналитически выражается различным образом.
Так, на фронтальном торце (месте расположения диафрагмы МФ) давление увеличивается за счет отраженной волны pот . Возрастание давления,
учитываемое коэффициентом Dф выразится суммой
Dф = pм /p =( p+pот )/p = 1+ pот /p .
(3.9)
Эффективность отражения с повышением частоты звука увеличивается,
так как по мере уменьшения длины волны (в сравнении с диаметром препятствия) отражение становится направленным и давление pот возрастает, достигая на высоких частотах (при λ ≈2а, где а – радиус препятствия) значения
давления в свободном поле p. По этой причине на низких частотах (НЧ) величина Dф ≈1, а на высоких частотах (ВЧ) приближается к 2.
Что касается тылового торца, то здесь дифракционные процессы проявляются в виде теневой дифракции, т.е. уменьшения давления pм и, соответственно, коэффициента Dт при повышении частоты звука, что находится в
полном соответствии с законом сохранения энергии: увеличение энергии
звукового поля перед препятствием должно вызывать такое же ее уменьшение за препятствием. При угле падения звуковой волны θ= 900 (см. рис. 3.2)
на высоких частотах, где длина волны становится соизмеримой с диаметром
микрофона (λ ≈2а), действующая (усредненная по площади диафрагмы) ве-
личина звукового давления становится меньше звукового давления в свободном поле. Соответственно величина коэффициента дифракции становится
меньше 1, т.е. D90 <1. Качественно характер изменения коэффициентов дифракции в зависимости от величины ka (фактически от частоты) представлен на рис. 3.3.
Основные типы приемников звука
По типу приемников звука микрофоны бывают трех основных видов: приемник давления и два типа приемников разности давлений – симметричный и
несимметричный. Приемники разности давлений также называют градиентными.
Приемники давления (рис.3.4, а) схематически можно представить как
диафрагму в виде поршня с массой m1, прикрепленного с помощью кольцевой гофрированной подвески с гибкостью c1 к цилиндрической капсуле, закрывающей доступ звуковой волне к задней стороне диафрагмы. Сила, вызывающая колебания диафрагмы, зависит лишь от давления, действующего на
внешнюю сторону диафрагмы и ее эффективной площади S, так что F = pм S.
На НЧ величина pм не зависит от направления прихода звуковой волны, значит и величина силы F не зависит от угла θ, т.е.
R(θ) = M(θ)/ M(θ=0) =1
(3.10)
Поэтому данный тип антенны получил название приемника звукового
давления или ненаправленного приемника, что обычно считают синонимами.
Однако в области ВЧ, когда поперечный размер приемника соизмерим с длиной волны λ, звуковое давление на его поверхности передней по отношению
к фронту звуковой волны начинает возрастать (см. формулу 3.8). Следовательно, приемник давления приобретает направленность из-за дифракции
звука на его поверхности. В соответствии с изложенным акустическое звено
приемника давления характеризуется соотношением
F/p = pм/p ·F/pм = D(θ)·S .
(3.11)
Акустико-механическое звено (подсистема) приемника звукового давления представляет собой в упрощенном виде простую механическую систему
на которую действует одна сила давления. Отображается такая подсистема
обычно с помощью эквивалентной электрической схемы (ЭЭС), представленной на рис.3.4, б, ХН приемника звукового давления представлена на
рис.3.4, в.
Симметричный приемник разности давлений, состоящий из такой же (как
и ранее рассмотренная) диафрагмы, симметрично открытой с обеих сторон
(рис. 3.5, а). Поэтому понятия «фронтальная» и «тыловая» сторона для нее
условны. В плоской звуковой волне при малых (относительно λ) поперечных
размерах давление действует на диафрагму такой антенны с двух сторон: на
переднюю с силой F1, а на заднюю – с силой F2 , равной по величине F1 , но
отстающей от нее по фазе. Сила F, вызывающая колебания диафрагмы, определяется разностью рассмотренных сил F = F1 - F2 . Отображается акустико-механическая подсистема упрощенно с помощью эквивалентной
электрической схемы (ЭЭС), представленной на рис.3.5, б, ХН приемника
звукового давления представлена на рис.3.5, в и в виде пространственной
фигуры рис.3.5, г.
При θ = 0 запаздывание действия волны на заднюю сторону расстоянием d, геометрической базой. Поэтому сила F2, действующая на диафрагму сзади, отстает от F1 , действующей спереди на время τd , обусловленное
прохождением базы d. При других значениях угла θ оно зависит от расстояния dּcosθ. Таким образом сила F2 отстает по фазе от силы F1 на величину
равную Δ φ1 = ω τd cosθ . Математически это можно записать следующим
образом:
d
cos
(3.12)
v
При этом имеется ввиду, что pм ≈ p (т.е. давление на поверхностях диаF  F1  F2  pS1  pS
фрагмы не отличается от давления в свободном поле), что вполне допустимо
как в нижней, так и в средней части частотного диапазона, где действие дифракционных факторов еще незначительно и можно полагать, что D ≈ 1. Эту
область будем называть в дальнейшем опорной. Ее верхнюю частотную границу можно определить приближенно из условий
ka < 0,5 , kd < π/6
(3.13)
Где k = ω/ν= 2π/λ - волновое число, а ka =2πa/λ – безразмерный частотный
параметр, численно равный отношению длины окружности диафрагмы к
длине волны на данной частоте. В дальнейшем будем называть его волновым
размером приемника или излучателя звука.
Очевидно, что ХН такого приемника (см. формулу 3.2) будет:
R(θ) = M(θ)/ M(θ=0) = cos θ
(3.14)
Действительно, при θ = 00 и при θ =1800 значение |R(θ)| = 1. При боковом
падении R(90)= 0 , т.к. силы F1 и F2 становятся синфазными и взаимно компенсируются. В заднем полупространстве, где 900 ≤ θ ≤1800 значения cosθ
становятся отрицательными. Это означает только, что волны, падающие из
заднего полупространства, вызывают колебания диафрагмы противофазные
тем, которые получаются от волн из переднего полупространства. В обиходе
эту ХН называют «восьмеркой», а антенну рассмотренного типа – двусторонне направленной. Полярная диаграмма этой ХН представлена на рис.
3.5,в, пространственное изображение на рис. 3.5,г .
Наконец третий тип - несимметричный приемник разности давлений.
Здесь доступ звукового давления к внешней и внутренней стороне диафрагмы не одинаков (рис. 3.6). Диафрагма 1 закрепляется на переднем торце цилиндрического корпуса, задняя сторона которого затянута тканью 2, т.е.
«акустически прозрачным» материалом, создающем трение r2 на втором входе приемника, к которому примыкает масса воздуха m2 , а заключенный внутри корпуса воздух создает «пружину» гибкостью c3. Таким образом, сила,
действующая на диафрагму с внутренней стороны, отстает от F1 , действующей снаружи, сначала на время τd , обусловленное прохождением базы d (как
и в симметричном приемнике разности давлений), а затем дополнительно запаздывает на время τrc , создаваемое внутренней структурой. Первое τd = d/v ,
назовем базовым, а второе τrc = r2 c3 структурным запаздыванием. При этом
следует помнить, что базовое время запаздывания зависит от угла падения звука, т.е. d = d(00)cosθ, и
τd =d cosθ/v, а структурное τrc не зависит, поэтому:


d

F  F1  F2  pS 1  2   pS r2c3   cos 


v


(3.15)
Акустико-механическое звено (подсистема) такого приемника представляет
собой в упрощенном виде механическую систему на которую несимметрично
действуют две силы. Упрощенно такая подсистема обычно отображается с
помощью эквивалентной электрической схемы (ЭЭС), представленной на
рис.3.6, б.
В общем виде ХН таких приемников можно выразить «улиткой Паскаля»
(см. формулу 3.2). Различные варианты этой ХН представлены в табл. 3.1. и
для наглядности в виде пространственного изображения на рис. 3.7.
К разряду несимметричных приемников разности давлений относится подавляющее большинство современных профессиональных микрофонов кон-
денсаторного и динамического
направленные ХН.
типов,
реализующих
односторонне-
Таблица 3.1. Разновидности характеристик направленности микрофонов
Коэффициент
Аналитическая Соотношение
направленности
Вид ХН
форма ХН
между rc и d

Круг
субкардиоида (полусфера)
кардиоида
суперкардиоида
гиперкардиоида
косинусоида
(восьмерка)
1
rc  
1
3 1
 сosθ
4 4
1 1
 сosθ
2 2
rc = 3d
 1,7
rc = d
3
3 5
 сosθ
8 8
1 3
 сosθ
4 4
rc = 3/5d
 3,7
rc = 1/3d
4
rc  0
3
сos θ
3.4. Микрофоны конденсаторные ненаправленные
Общие сведения
Конденсаторные микрофоны (КМ) реализуются на базе электростатических преобразователей, принцип действия которых был рассмотрен нами в
главе 2. По своим электроакустическим параметрам КМ обладают целым рядом преимуществ по сравнению с электродинамическими и другими типами
микрофонов. Достоинствами КМ являются:
- гладкая частотная характеристика чувствительности (ЧХЧ) с малой неравномерностью в широкой полосе частот при высоком уровне чувствительности;
- малые переходные искажения, т.е. способность верно воспроизводить
звуки с крутым фронтом, импульсные сигналы, так длительность нарастания
импульса в КМ составляет единицы мкс;
- широкий динамический диапазон передаваемого сигнала, т.е. малые нелинейные искажения при больших уровнях звукового давления, и малый
уровень собственного шума.
Неотъемлемой встраиваемой в корпус частью любого КМ, кроме собственно преобразователя (см. раздел 2.2), является электрическая схема, состоящая обычно из низкочастотного (НЧ-схема) усилительно-питающего
устройства, роль которого заключается не в усилении сигнала, а в согласовании большого емкостного электрического импеданса преобразователя с относительно низкоомным входным сопротивлением последующего за микрофоном усилителя напряжения (см. раздел 1.1). значительно реже встречаются
также высокочастотные усилительно-преобразующие устройства (ВЧ-схема).
Так как последние в настоящее время применяется существенно реже, то в
дальнейшем изложении принципов работы различных типов КМ, мы будем
иметь в виду микрофоны с НЧ-схемой. Эту встроенную в КМ схему, во избежание терминологической путаницы, будем называть так как это принято в
англоязычной литературе, микрофонным предусилителем (preamplifier).
В силу этой структурной особенности, любой конденсаторный микрофон
требует источника напряжения. Разница заключается в том что для обычного
конденсаторного микрофона требуется достаточно высоковольтный внешний
источник постоянного напряжения для зарядки мембраны и неподвижного
электрода (см. разд. 2.2). Для электретного конденсаторного микрофона в
принципе достаточно напряжения в несколько вольт, которое требуется
только для питания транзисторной схемы предусилителя. Поэтому питание
для электретных микрофонов может осуществляться от встроенной батарейки или аккумулятора, особенно в тех случаях когда требования к динамическому диапазону не очень велики.
В начале КМ (первый появился в 1917г.) были чрезвычайно сложны в изготовлении и настройке, дороги, поэтому использовались преимущественно
для акустических измерений, студийной звукозаписи, а также в радио и телевизионном звуковом вещании. В 60-х годах прошлого столетия в усилителях
(точнее в предусилителях) КМ стали широко применяться полевые транзисторы, а затем интегральные схемы на их основе. С начала 70-х годов распространение получили электретные конденсаторные микрофоны (МКЭ), где
в качестве мембраны была использована электретная полимерная пленка, металлизированная с одной стороны. В это же время появляются малогабаритные и достаточно надежные источники низковольтного питания. Применение
этих трех новых технологий в совокупности позволило разработать и начать
промышленный выпуск целого ряда новых моделей микрофонов конденсаторных электретных (МКЭ). Это же позволило существенно удешевить и
упростить производство, а ряд (в основном ненаправленных) микрофонов,
сильно миниатюризировать. Электретные КМ по удобству эксплуатации незначительно уступают динамическим катушечным микрофонам, т.к. миниатюризация предусилителя и появление малогабаритных источников питания
позволило конструктивно встроить оба эти элемента в корпус микрофона.
Все это привело к широкому применению МКЭ в бытовой аппаратуре, а затем и в аппаратуре мобильной связи.
Устройство
Как уже отмечалось ненаправленные конденсаторные микрофоны (НКМ)
реализуются на базе приемников давления и электростатических преобразователей, работающих в режиме генератора, как с внешней, так и с внутренней
(электретной) поляризацией. Для краткости первый тип преобразователей
будем называть электростатическим, второй – электретным. В настоящее
время ненаправленный капсюль КМ, как массового, так и профессионального
назначения, значительно чаще реализуется с помощью электретного преобразователя.
Рис. 3.8. Устройство капсюля ненаправленного конденсаторного микрофона с плоским металлическим НЭ (а) и модель его акустико-механической подсистемы (б)
В простейшей реализации (рис. 3.8,а) такой микрофон состоит из мембраны 1, представляющей собой натянутую полимерную пленку толщиной Δ, с
внешним металлическим слоем 2, нанесенным вакуумным напылением. Такая мембрана приклеивается электропроводным клеем к металлическому
кольцу 3. Мембрана выполняет, прежде всего, функцию подвижного электрода, т.е. совершает колебания при воздействии на нее звукового давления.
Кроме этой функции в НКМ массового производства, мембрана часто изготовляется из электретного материала на основе фторопласта, и является
внутренним источником поляризации капсюля. Роль второй неподвижной
обкладки конденсатора выполняет неподвижный электрод 4 (НЭ), обычно
конструктивно выполняемый либо в виде плоской металлической пластины с
отверстиями (рис. 3.8, а), либо методом горячего прессования из композиционного диэлектрика, металлизированного по поверхности. Между мембраной
и НЭ с помощью кольцевых изоляционных прокладок 5 образуется воздушный зазор 6, толщина которого δ (рис.3.8,б) обычно бывает 20 – 40 мкм. Для
сравнения отметим, что толщина не электретной мембраны Δ (металл или
лавсан), составляет обычно 3–6 мкм, электретной 10–12 мкм. Изолятор 7
электрически разделяет НЭ и металлический корпус микрофона 8, с которым
контактирует мембрана 1. За НЭ (рис.3.8, а) создают внутренний объем воздуха 9. Предварительный усилитель (далее – предусилитель), служит для согласования большого внутреннего емкостного сопротивления преобразователя с относительно низким входным сопротивлением последующего усилителя. В микрофонах массового применения (бытовых) предусилитель выполняется обычно в виде маленькой интегральной схемы 10 (объемом порядка
единиц мм3) и располагается или во внутреннем объеме или снаружи НЭ.
Выходное напряжение этого предусилителя с помощью выводов 11 подается
(через разъем или непосредственно) на последующий усилитель напряжения.
Сетка 12 одновременно (совместно с корпусом) играет роль экрана от электростатических помех и механической защиты мембраны.
На рис. 3.8,б приведена упрощенная модель механического звена капсюля
НКМ, где мембрану можно представить как простую механическую колебательную систему с сосредоточенной массой m1 = m m + mc , гибкостью c 1 =
c m и активными потерями r 1 =rm + rc. Здесь m m и c m непосредственно
масса и гибкость мембраны, а rc и mc - активные потери и масса прилегающего тонкого слоя воздуха, нагружающего мембрану.
Так как толщина слоя δ = 20÷40мкм, а высота внутреннего объема h =
1÷2мм, то влиянием гибкости слоя во всем диапазоне частот микрофона, без
существенной погрешности можно пренебречь. Под действием звукового
давления возникает внешняя механическая сила, заставляющая мембрану колебаться относительно положения равновесия. Сток воздуха при смещении
мембраны осуществляется в замкнутый объем воздуха, обладающий гибкостью c 3 = c v..
Системная модель чувствительности
На простейшем примере НКМ покажем, как используя общее системноструктурное выражение для определения чувствительности микрофонов
(3.1), приведенное в параграфе 3.1., получить выражение для чувствительно-
сти ненаправленного конденсаторного микрофона в опорной зоне частот (см.
3.13).
Напомним, что в этом диапазоне, можно считать pM /p =D(θ) ≈1. Остальные величины в соответствии с результатами, полученными в разделе 3.3.
можем записать в следующем виде:
для
акустико-механического
звена
приемника
давления
F pM  Dθ  S1  S1 , где S1- эквивалентная площадь мембраны;
- для электростатического преобразователя (см. параграф 2.3) величина
коэффициента электромеханической связи K эм  E ξ  U 0 jωδ1 , где δ1 – эффективная толщина зазора.
Рис. 3.9. Электрическая схема включения капсюля КМ: Ск – полезная емкость капсюля, Сп – суммарная паразитная емкость капсюля и предусилителя, Rн – входное
сопротивление предусилителя, U0 – поляризующее напряжение, e – ЭДС сигнала
Величина Rн= (0,5 2)109 Ом подбирается таким образом, чтобы
Rн  1 ωCk во всем номинальном диапазоне частот, а Сk для НКМ, как правило, (исключая миниатюрные встраиваемые капсюли) на порядок больше
Сп, тогда выражение - для коэффициента передачи электрической схемы К
(рис. 3.9) в упрощенном виде:
u e  K  K y 1  C n C k   K y
Подставив эти соотношения в (3.1) и проведя перемножение получим для
чувствительности микрофона:
M0 
S1  U 0  K y
jωδ z M
.
(3.16)
Очевидно, что для получения частотно-независимой чувствительности, необходимо чтобы механическая подсистема НКМ (см. рис. 3.8,б и рис. 3.4) в
опорной зоне частот управлялась гибкостью, т.е.
cc
ξ
1

 jωc Σ  jω 1 v ,
F zM
c1  cv
(3.17)
где cΣ - совокупная гибкость мембраны c 1 и внутреннего объема c 3 =cV
Подставив (3.17) в (3.16) получим для чувствительности в опорной зоне
Eоп 
S1U 0 c Σ K у
δ
.
(3.18)
Для того чтобы в основном диапазоне частот механическое звено управлялось гибким сопротивлением, необходимо чтобы ее резонансная частота fр
находилась вблизи верхней границы номинального диапазона fв. С другой
стороны, необходимо избегать как существенного подъема, так и спада ЧХЧ
вблизи fв, т.е. как заметных на слух амплитудно-частотных, так и переходных искажений. В зависимости от назначения конкретной модели НКМ, оптимальная величина fв и потерь за счет активной составляющей сопротивления rc слоя может существенно изменяться. Отметим, что чрезмерное увеличение fв крайне нежелательно, т.к. практически осуществляется за счет
уменьшения гибкости, что приводит к уменьшению чувствительности НКМ
(см. 3.18). Пример ЧХЧ ненаправленных микрофонов см. далее на рис. 3.17,а.
Остановимся подробнее на характере величины с. На практике имеют
место два случая:
1)гибкость мембраны с1 велика по сравнению с гибкостью воздуха полостей неподвижного электрода с3, следовательно с  с3, то есть акустикомеханическая подсистема таких конденсаторных микрофонов (это практически все модели профессиональных и бытовых конденсаторных микрофонов с
полимерной мембраной) управляется упругостью объема.
2) гибкость мембраны мала по сравнению с гибкостью объема, то есть
с1<< с3 и с  с1, то есть акустико-механическая подсистема управляется
упругостью мембраны, что имеет место в измерительных конденсаторных
микрофонах с сильно натянутой металлической мембраной и в некоторых
моделях студийных конденсаторных микрофонов, изготовленных на базе той
же технологии.
Отметим, что первая и вторая группы НКМ существенно отличаются, как
с точки зрения получения определенной совокупности электроакустических
параметров при проектировании, так и по эксплуатационным возможностям.
Так характеристики микрофонов второй группы с акустико-механическим
звеном управляемым упругостью мембраны (с  с1), значительно менее чувствительны к внешним воздействиям, таким как изменения температуры, атмосферного давления и т.п., поэтому такие более сложные технологии и применяют почти исключительно к измерительным КМ.
Динамические ненаправленные микрофоны (приемники давления) в
этом курсе мы рассматривать не будем в силу двух причин. Во-первых, такие микрофоны в настоящее время находят довольно узкое применение, в
основном как репортажные, на рынке есть всего несколько их моделей. Здесь
мы приведем на рис. 3.10 в качестве примера таких микрофонов только
внешний МД-83, выпускаемого в настоящее время предприятием «Микрофон-М». Во-вторых, акустомеханическое звено динамических ненаправленных микрофонов, в отличии от НКМ, достаточно сложно, поэтому осмыслить его работу не зная эквивалентных схем не представляется возможным.
Желающим самостоятельно разобраться в этом вопросе можно рекомендовать обратиться к специальной литературе [1-3, 6].
Рис. 3.10. Внешний вид и типовая ЧХЧ ненаправленного динамического микрофона МД-83
3.5. Однонаправленные динамический и конденсаторный микрофоны
Общие сведения, устройство
Однонаправленные динамические и конденсаторные микрофоны получили распространение относительно недавно (в 50 –60-е годы прошлого века).
В настоящее время они широко применяются для звукозаписи и звукоусиления музыки и речи. В акустическом звене эти микрофоны реализуются как
несимметричные приемники разности давления (см. разд. 3.3). Величину, характер и расположения составляющих ее акустико-механических элементов
определяют параметры внутренней конструкции капсюля микрофона. На рис.
3.11 и 3.12 приведены примеры конструкций капсюлей современных однонаправленных микрофонов конденсаторного (ОКМ) и динамического (ОДМ)
типов.
Не будем подробно останавливаться здесь на конструкции капсюля ОКМ,
т.к. близкий по устройству капсюль ненаправленного КМ был подробно рассмотрены нами в разделе 3.4. Рассмотрим подробнее устройство ОДМ.
Рис. 3.11. Схематическая конструкция капсюля ОКМ: 1-неподвижный электрод; 2 и
3 –кольцо с мембраной; 4 –полости, формирующие гибкость c3 ФСЦ; 5 –изолятор
электрода; 6 –дисковый вкладыш для создания щели 7, формирующей трение r2
и массу m2 второго входа; 8 –отверстия, соединяющие полости 4 и щель 7; 9 изоляционная прокладка, формирующая подмембранный зазор; 10 –отверстия
второго входа; 11 –винт; 12 –прокладка, формирующая щель 7; 13 –гайка; 14 –
отверстия первого входа (перед мембраной)
Рис. 3.12. Базовая конструкция капсюля современного ОДМ: 1 – купол и 2 –
подвес диафрагмы (воротника); 3 – звуковая катушка; 4 – прокладка крепления
воротника; 5 – постоянный магнит; 6 – керн; 7 – фланец; 8 – магнитный стакан; 9 –
ВЧ накладка; 10 – отверстия, объединяющие внутримагнитный 12 и подворотниковый объемы; 11 – отверстие ВЧ накладки (первого входа); 13 – отверстия второго входа с тканью 16, формирующей активное сопротивление r2; 14 – антифонная
катушка; 15 – монтажный объем
Динамические катушечные микрофоны находят широкое применение в
радиовещании, речевых телевизионных студиях, системах звукоусиления музыки (концертные залы, театры) и речи (залы заседаний, конференцсистемы),
репортажах с мест событий. Уступая КМ по чувствительности, неравномерности ЧХЧ и некоторым другим параметрам, они вместе с тем имеют и ряд
неоспоримых преимуществ: отсутствие необходимости в источниках питания
и встроенных предусилителях, меньшую чувствительность к климатическим
воздействиям, меньшую восприимчивость к ветровым помехам, как следствие вышеперечисленного, большую надежность в «жестких» условиях эксплуатации.
Динамический микрофон, внутреннее устройство которого показано на
рис. 3.12, конструктивно можно разделить на три части: подвижную систему, магнитную цепочку и акустико-механическую структуру.
Подвижная система (ПС) состоит из куполообразной диафрагмы 1 с
кольцевым подвесом 2 (по форме напоминающем половинку тороида). К
контуру купола подклеивается звуковая катушка 3, а внешний контур подвеса закрепляется прокладкой 4 на фланце 7. При этом катушка 3, помещаемая в зазор МЦ, должна быть тщательно отцентрирована, так чтобы при колебаниях она не задевала неподвижные металлические детали МЦ. Подвижная система образует механическую колебательную систему микрофона, состоящую из массы m1 , подвешенной на пружине с гибкостью c1. Масса m1
включает в себя массы звуковой катушки mk , эквивалентную массу диафрагмы mд и соколеблющуюся массу воздуха mc.
Магнитная цепочка (МЦ) состоит обычно из кернового постоянного магнита 5, изготовленного из магнитотвердых сплавов с высокой остаточной
индукцией, намагниченного в осевом направлении. Его нижний торец установлен в стакане 8, а к верхнему торцу прикреплен полюсный наконечник 6
(по-другому – керн), по верхнему контуру стакана закреплен верхний фланец
7, имеющий вид диска с центральным отверстием, диаметр которого превышает диаметр полюсного наконечника. Таким образом, между фланцем 7 и
наконечником 6 создается кольцевой зазор, в котором образуется сильное
магнитное поле радиального направления, источником которого является
магнит 5. Остальные детали магнитной цепи (6, 7 и 8) изготавливают из магнитомягкой (т.е., обладающей высокой магнитной проницаемостью) малоуглеродистой стали образуют магнитопровод, подводящий магнитный поток
к воздушному зазору МЦ, ширина которого обычно 0,4- 0,6 мм. Диаметр
стакана обычно 20- 40 мм.
Акустико-механическая структура таких МФ создается с помощью взаимосвязанных отверстий, трубок и полостей внутри корпуса микрофона. Из
потока воздуха, приводимого в движение диафрагмой, они формируют акустические элементы – массы, гибкости, трения.
Кроме перечисленных, в конструкции ОДМ используются также дополнительные элементы, предназначенные либо для уменьшения помех, либо для
коррекции ЧХЧ в области НЧ или ВЧ. Например, высокочастотная накладка
11, представляющая собой неглубокую крышку с отверстиями, позволяет за
счет резонанса в полости перед диафрагмой откорректировать ЧХЧ в области ВЧ, сделав ее более ровной. Специальная «антифонная» катушка 14,
наматываемая на корпус капсюля позволяет существенно уменьшить наводимые на ЗК внешние электромагнитные помехи. Часто для выравнивания
ЧХЧ на НЧ применяют дополнительные объемы, соединенные с внутримагнитным 12 с помощью различных отверстий и трубок. Здесь мы ограничиваемся рассмотрением основной, базовой конструкции, без указанных корректирующих элементов.
Основные принципы работы приемников звука такого типа были рассмотрены нами в разделе 3.3. (см. рис. 3.6). Основная особенность приведенных на рис. 3.12 и 3.13 конструкций состоит в том, что в стенках внешнего
корпуса микрофона имеется ряд отверстий, составляющих в совокупности
второй акустический вход, открывающий доступ звукового давления к задней
стороне диафрагмы (см. рис. 3.13). Временная задержка (см. разд.3.3) звукового давления осуществляется за счет базового запаздывания τd =d/v и за счет
структурного τrc, формируемого активным сопротивлением второго входа r2
и гибкостью внутреннего объема c3. Активное сопротивление второго входа
создается в ОДМ тканью 16 (см. рис. 3.13), а в ОКМ узкой щелью 7 между
вкладышем 6 и задней поверхностью неподвижного электрода 1 (см.
рис.3.12).
При этом следует помнить, что базовое время запаздывания зависит от
угла падения звука, т.е. d = d(00)cosθ, и τd =d cosθ/v, а структурное τrc не
зависит. Таким образом, сила, действующая на диафрагму с внутренней стороны, отстает от F1 , действующей снаружи, сначала на время τd , обусловленное прохождением базы d а затем дополнительно запаздывает на время τrc ,
создаваемое внутренней структурой. Откуда следует, что характеристика
направленности представится соотношением
R  
 rc   d cos
M  

M   0 0 
 rc   d ,
(3.19)
Эта формула соответствует классической формуле для "улитки Паскаля" (см.
формулу 3.2).
Различные варианты этой ХН представлены в табл. 3.1. и для наглядности в виде пространственного изображения на рис. 3.7. Следует иметь в виду,
что эти данные соответствуют идеализированной аналитической модели
микрофона, не учитывающей серию акустических факторов, приводящих к
непостоянству ХН с частотой, а в ряде случаев – к асимметрии направленности [4].
К разряду несимметричных приемников разности давлений относится подавляющее большинство современных профессиональных микрофонов конденсаторного и динамического типов, реализующих односторонненаправленные ХН (см. рис.3.7). На рис. 3.13 и 3.14, в качестве примера реализации профессионального ОКМ с различными ХН, приведен внешний вид
и типовые ЧХЧ микрофона МКЭ-30 с тонкой лавсановой мембраной и электретным НЭ. Производится этот микрофон ООО «Микрофон-М» и построен
по модульному принципу, т.е. с единым предусилителем и со сменными капсюлями.
Рис. 3.13. Внешний вид студийного конденсаторного микрофона МКЭ-30 со
сменными капсюлями
Рис. 3.14. Типовые ЧХЧ профессиональных одномембранных КМ на примере капсюлей МКЭ-30 с различной направленностью: а – ненаправленный; б – кардиоидный; в – суперкардиоидный.
Особенности частотно-пространственной характеристики чувствительности в сферической волне (ближнем поле)
Во всех предыдущих разделах предполагалось, что разница сил F1 и F2,
действующих на первый и второй входы, обусловлена лишь фазовым фактором, связанным с запаздыванием силы F2 по отношению к F1 на время d =
d/v (базовой задержки). Такое предположение вполне корректно, если расстояние R от источника звука достаточно велико как по сравнению с длиной
волны, так и по сравнению с базовым расстоянием d микрофона, точнее R >
λ/2 и R >>d , что делает несущественной разницу в амплитудах сил F1 и F2 .
Практически нормирование ЧХЧ и ХН микрофонов осуществляется в
звукомерных камерах (заглушенных) при расстояниях R = 0,5  1,0 м от ис-
точника звука (измерительного громкоговорителя) до микрофона. В реальных условиях эксплуатации микрофона (например, перед оратором, в руках
эстрадного вокалиста и т.п.) его располагают почти вплотную к источнику
звука. По этим причинам предположение о плоской форме фронта волны
становится некорректным, так как расстояние d между акустическими входами становится уже соизмерима по величине с R и пренебрежение сферической формой фронта приводит к существенным ошибкам. Учет сферичности
фронта означает, что в соотношении сил F1 и F2 следует учитывать не только
фазовый фактор, но и амплитудный, т.е. изменение амплитуды давления в
сферической волне на пути l. На рис. 3.15 приведены векторные диаграммы
поясняющие действие этого фактора.
На рис.3.15,а и рис. 3.15,б изображены диаграммы, показывающие действующие на внешнюю F1 и внутреннюю F2 стороны подвижного элемента
силы в условиях плоской волны (дальнего поля источника звука). Эти силы
не отличаются по величине. Разностная сила ΔF обусловлена лишь фазовым
фактором, связанным с запаздыванием силы F2 по отношению к F1 На высоких частотах (см. рис. 3.15,б) она больше, чем на низких (см. рис. 3.15,а), что
объясняется тем, что фазовый сдвиг прямо пропорционален частоте (см.
формулу 3.15).
На рис.3.15,в и рис. 3.15,г изображены диаграммы, показывающие действующие на внешнюю F1 и внутреннюю F2 стороны подвижного элемента
силы в условиях сферической волны (ближнего поля источника звука). Эти
силы отличаются уже и по величине. Разностная сила ΔF обусловлена здесь
уже не только фазовым фактором, но и амплитудным.
Разница фаз не изменилась для тех же частот (сравните углы наклона между
силами попарно на рис. 3.15,а и 3.15,в, и на рис. 3.15,б и 3.15,г). Однако, из
сравнения рис. 3.15,а и 3.15,в (низкие частоты) легко убедиться, что разностная сила ΔF в ближнем поле стала существенно больше, чем в дальнем, а на
рис. 3.15,б и 3.15,г она осталась практически неизменной по величине.
С понижением частоты фазовый фактор (угол наклона) будет влиять все
меньше на величину разностной силы ΔF, а на крайне низких им вообще
можно пренебречь, все будет определяться разницей амплитуд.
Таким образом, фронтальная и тыловая чувствительности однонаправленных МФ с понижением частоты будут расти (по сравнению с условиями
плоской волны), приближаясь друг к другу. Боковая же чувствительность (θ
= 90˚), зависящая только от времени структурной задержки τrc остается неизменной. При этом ХН становится похожей на восьмерку, правда, с широким
«поясом», обусловленным боковой чувствительностью. Для наглядности на
рис. 3.16 приведен пример получаемых в ОДМ фронтальной, тыловой и
фланговой ЧХЧ для рабочих расстояний R=1 м и R= 0,05 м. Следует отметить, что чем острее у микрофона ХН, тем более сильное влияние оказывает сферичность фронта волны на ЧХЧ в области НЧ, т.е. тем сильнее проявляется тенденция к подъему ЧХЧ с понижением частоты и с уменьшением
рабочего расстояния до источника звука. В ненаправленных микрофонах изза отсутствия второго входа форма фронта не оказывает влияния на ЧХЧ.
Рис. 3.15. Векторные диаграммы, поясняющие действие сил в ближнем поле
Рис. 3.16. Частотные характеристики чувствительности ОДМ: в ближнем поле
(R=0,05м): 1 – фронтальная, 2 – тыловая;
в дальнем поле (R=1м):
3 – фронтальная, 4 – тыловая; 5 – боковая (θ=900) – для всех расстояний
3.6. Ленточные микрофоны с двусторонней направленностью
Устройство и эквивалентная схема
В ленточном электродинамическом микрофоне (ЛМ) в качестве подвижного элемента используется гофрированная по концам ленточка из фольги
(обычно, алюминиевой) толщиной Δ = 2-4 мкм, шириной b =1,5-2 мм и длиной l= 20-40 мм. Конструктивно ЛМ обычно выполняется как рассмотренный
ранее (см. рис 2.3) ленточный преобразователь, но с вертикальным расположением магнита 10 и полюсных наконечников 9, что диктуется необходимостью симметрии в расположении элементов конструкции симметричного
приемника разности давлений (см. рис. 3.5) относительно подвижного элемента – ленточки.
Помимо функции приемного акустического элемента, ленточка выполняет
роль проводника динамического преобразователя, колеблющегося в магнитном поле. Вследствие малой длины ленточки, ее электрическое сопротивление Rл крайне мало (обычно порядка 0,2 – 0,5 Ом). Величина напряжения,
снимаемого с ее концов также мала (около 10 – 50 мкВ/Па), что объясняется
малостью коэффициента электромеханической связи Bl. Такое напряжение
соизмеримо с помехами, наводимыми на микрофонные линии (см. разд. 3.7).
Для увеличения выходного полезного сигнала, в корпусе ЛМ всегда устанавливается повышающий трансформатор, благодаря чему чувствительность
повышается до 1-2 мВ/Па, выходное сопротивление при этом возрастает до
200- 300 Ом.
Основным преимуществом ЛМ перед катушечными микрофонами (вследствие легкости ленточки) является очень малая величина переходных искажений, субъективно оцениваемая, как мягкость и естественность передачи
тембра инструментов среднего и высокого регистров (струнных, тарелок и
др.). Вместе с тем у ЛМ есть и ряд эксплуатационных недостатков: большие
габариты и масса МФ, обусловленные большими размерами постоянного
магнита и трансформатора; малая устойчивость к вибрационным и ветровым
помехам, приводящим иногда к выходу ленточки из строя. Изготовление ЛМ
связано с определенными технологическими сложностями, приводящими к
сравнительно высокой стоимости производства.
Эквивалентная схема сводится к рис.3.5,б (см. разд. 2.2). Частотную зависимость чувствительности, обусловленную характеристикой антенны ω∙τd,
здесь можно скомпенсировать только соответствующей частотной зависимостью механического сопротивления z1. Очевидно, требуемую зависимость
можно получить, когда ленточка управляется своей массой, т.е. z1 = jωm1 , что
реализуется в частотной области выше резонансной частоты ленточки. Так
как массу ленточки увеличивать не желательно из-за понижения при этом
чувствительности, то для уменьшения ω11 увеличивают гибкость c1 путем
гофрировки концов ленточки. В ЛМ удается получить в широком диапазоне
частот довольно ровную и плавную ЧХЧ и хорошую ХН типа «восьмерки» (с
перепадом чувствительности 0-90 градусов в 20-30 дБ). В настоящее время в
мире производится (по нашей оценке) 12 -15 моделей ленточных микрофонов, 2 из них производит завод «Октава» г. Тула.
3.7. Шумы и помехи в микрофонах
Классификация микрофонных шумов
Микрофон является первым звеном полного звукового тракта (ЗТ), создающим первичный полезный электрический сигнал. Соотношение «сигналшум» всего ЗТ определяется отношением полезного сигнала, созданного
микрофоном, к суммарному шумовому сигналу от всех элементов тракта,
включая микрофон.
Микрофонные шумы различают по месту возникновения на: внутренние, наводимые и внешние. Последние два вида шума называют также помехами.
Внутренними (собственными) называют шумы, возникающие в капсюле
или элементах электрической схемы МФ в результате флюктуаций молекул
воздуха в слое между мембраной и НЭ, а также электронов в резисторах,
лампах, транзисторах и интегральных схемах.
Наводимыми называют шумовые сигналы, создаваемые линиями силовой
сети (частоты 50 Гц и ее гармоники), а также цепями электропитающих
устройств (100 Гц). Электростатические помехи в виде щелчков могут также
возникать при резких смещениях микрофонных кабелей.
Внешними называют шумы, возникающие вне ЗТ. К ним относят акустические шумы, создаваемые посторонними источниками (транспортом, голосами и т.д.), аэродинамические (ветровые), возникающие при обтекании МФ
струями воздуха (от ветра, дыхания исполнителя и т.п.). К внешним шумам
относят также вибрационные и структурные помехи, возникающие от тряски корпуса, перекрытий, при движении исполнителя и т. п.
Внутренние или собственные шумы
Под этим термином понимают совокупность электрических сигналов на
выходе МФ при отсутствии внешних воздействий (звукового давления, ударов, встрясок и т.п.). В структуре динамических микрофонов электронные
элементы обычно отсутствуют, поэтому собственные шумы возникают в основном в активном сопротивлении звуковой катушки R. В конденсаторных
МФ эти шумы вызываются, в основном, тепловыми флюктуационными процессами в сопротивлении нагрузки капсюля, а также дробовым эффектом токов ламп, транзисторов и микросхем, используемых в предусилителях МФ.
Заимствованная из теории электрических цепей формула Найквиста, позволяет рассчитать одну из основных составляющих ЭДС собственного шума –
тепловую, эта формула в полосе частот от fн до fв имеет вид
eш 
fв
 4kTZ f df
fш
 4kT f в  f н Rк
.
(3.20)
Здесь T - абсолютная температура в градусах Кельвина, k =1,37·10-23 Дж/град.
– постоянная Больцмана. Для обычных комнатных условий (230С),
2 kT =1,27ּ10-10  Дж
1
2
, так что
eш  1,27 10
10

 f в  f н  Rк
.
(3.21)
Как видно из (3.20) и (3.21), ЭДС собственного шума eш имеет постоянную
плотность спектра (на 1 Гц частоты), т.е. это полоса белого шума. Источником термического шума КМ является нагрузочное сопротивление капсюля Rн,
которое можно рассматривать как внутреннее сопротивление генератора шума eш, а C =Cк +Cп как емкостное сопротивление, нагружающее этот генератор (где Cк – полезная емкость капсюля, а Cп – суммарная паразитная емкость). Тогда для модуля uш можно записать:
eш  f 
uш
1
eш  f 
jωC


1
1  jωCR .
R
jωC
(3.22)
Откуда следует, что чем больше ёмкость капсюля, т.е. чем больше его
диаметр (см. главу 2), тем меньший собственный шум имеет микрофон. Величину собственного шума обычно задают не в вольтах, а нормируют по отношению к уровню эквивалентного звукового давления Nш (см. параграф 3.2).
Отметим, что эти расчетные значения получены нами «в линейке». При измерениях шумов малого уровня принято пользоваться псофометрическим
фильтром с кривой А, характеристики которого обратны изофоне 40 фон [1].
При этом величина шума (дБА) получается обычно приблизительно на 9 – 12
дБ ниже, чем при измерениях «в линейке».
Наводимые шумы
К этому виду относятся шумы, наводимые на элементы микрофонных
конструкций и их цепей внешними электрическими и электромагнитными
полями, источники которых находятся вне МФ. Поэтому такие шумы называют также помехами.
Электромагнитные помехи проявляются в виде низкочастотного «фона»
сетевого напряжения (50 Гц) или пульсаций напряжения сетей питания выпрямленным током (100 или 300 Гц). Источниками подобных наводок являются кабели мощных сценических светильников, прожекторов, а также электропитающих устройств. Электромагнитные поля наводятся на стальные детали, входящие в микрофонные цепи, выходные трансформаторы конденсаторных и ленточных микрофонов, звуковые катушки динамических МФ.
Борьба с электромагнитными помехами – защита звуковых трансформаторов
экранами, изготовляемыми из магнитомягких материалов – пермаллоя, малоуглеродистой стали (железа) и др. В профессиональных динамических МФ
применяют так называемые антифонные катушки, наматываемые на корпус
капсюля. Индуктивность такой катушки выбирается равной индуктивности
звуковой, но намотка, с целью компенсации наводимой помехи, производится в обратном направлении.
Электростатические помехи могут проявляться, как и электромагнитные,
в виде «фона» переменного тока, а также в виде щелчков, шорохов и других
посторонних звуков, возникающих при резком перемещении МФ или его кабеля. Механизм электростатических наводок имеет совершенно иной характер, чем магнитных. Поэтому и борьба с ними осуществляется иными средствами. ЭДС магнитной помехи индуцируется в катушках микрофонной цепи
переменными магнитными полями, в то время как ЭДС электростатических
помех возникает в результате непосредственной передачи части сетевого
напряжения в микрофонную цепь через емкостной делитель напряжения через паразитные емкости между проводниками сетевой и микрофонной линии.
Защита от электростатических помех производится путем комбинации двух
методов – симметрирования микрофонных цепей и их электростатической
экранировки, осуществляемой с помощью «чулка» из гибкой металлической
оплетки, обязательно заземляемой. Металл, используемый для оплетки,
обычно не обладает ферромагнитными свойствами, так как его задача не «затягивание» поля электромагнитных помех, а «отведение» обкладки паразитной емкости сетевой проводки от микрофонной линии на «землю». На рис.
3.17 приведена принципиальная схема так называемой стандартной фантомной линии, позволяющей с помощью двухпроводного экранированного кабеля осуществить, помимо передачи выходного микрофонного сигнала, подачу
на МФ питающего напряжения (подачей «+» через два активных провода и
среднюю точку сопротивлений R2 и «-» на оплетку экрана). Благодаря такой
стандартной схеме, большинство производителей в настоящее время перестало комплектовать КМ блоками питания.
Внешние шумы
Акустический шум создается источниками, присутствие которых в первичном акустическом поле по разным причинам является неизбежным. Сюда
относятся кино- и видеокамеры, вентиляционное и силовое оборудование,
люди, присутствующие на съемках или передаче и т.д. В результате произвольности размещения источников шума и многократных отражений звуков
от разных поверхностей, создается диффузное поле шума, где ориентация
волн имеет хаотичный характер, а энергия шума распределяется равномерно,
без сосредоточения в каких-то местах. Источник полезного сигнала находится в определенной точке (или точках) поля, звуковое давление от него распространяется в виде сферической волны, а, следовательно, убывает вдвое с
удвоением расстояния.
Рис. 3.17. Принципиальная схема «фантомной» линии
Поэтому наиболее эффективный прием – расположение микрофона возможно ближе к источнику звука. Однако его не всегда можно использовать,
так, например, при видео- или киносъемке часто попадание микрофона в кадр
является нежелательным. Другой прием – применение направленных и остронаправленных микрофонов, ХН которых сориентирована в направлении источника полезного сигнала, а окружающий шум воспринимается в соответствии с его коэффициентом направленности Ω (см. параграф 3.2). Кроме этого, акустическая ось ХН микрофона может быть сориентирована так, чтобы
направление его минимальной чувствительности совпало с направлением на
ближайшие и наиболее интенсивные источники помех.
В условиях повышенного шума (кабина самолета, вертолета, гусеничного
транспорта, спортивного комментатора и т.д.) используются так называемые
«антишумовые» микрофоны ближнего действия, которые часто являются составной частью специальной микрофонно-телефонной гарнитуры (см. параграф 3.5). В этих МФ для увеличения защищенности от шумов низкочастотного спектра используется эффект ближней зоны. Такой микрофон будет
воспринимать дальний окружающий шум значительно слабее, чем источник
сигнала. Его шумозащищенность будет определяться не только направленностью, но и разницей в ЧХЧ к ближнему полю и дальним источникам шума
[4], что можно определить по формуле
M cф
M cф
N сш  20 lg
Ω  20 lg
+ 10lgΩ .
(3.23)
M пл
M пл
Частотная характеристика чувствительности таких микрофонов на рабочем расстоянии от рта (5-10 см) должна быть частотно-независимой (т.е.
плоской), а значит в дальнем поле иметь «спад» с понижением частоты. Поэтому гибкость c1 подвижной системы таких микрофонов должна быть существенно меньше, чем у студийных и даже вокальных МФ, что достигается в
КМ применением малых по диаметру и достаточно сильно натянутых мембран, а в ДМ утолщением диафрагмы и уменьшением ширины гофрированной части [4].
Аэродинамические шумы – это внешние помехи, возникающие вследствие обтекания МФ квазистационарными потоками воздуха, возникающими
по разным причинам: ветра, резкого перемещения МФ, дыхания оратора или
вокалиста, воздушных потоков при произнесении взрывных и фрикативных
согласных и т.п. Скорость потока воздуха распределяется неравномерно по
поверхности обтекания и, в соответствии с законом Бернулли, при этом изменяется и давление на величину
Δp = A(V, f) pa(9cos2θ – 4).
(3.24)
Здесь А(V,f) – постоянная, пропорциональная средней скорости воздушного потока V и зависящая от частоты (~ f –3/2), pa – атмосферное давление, θ
- угол между осью МФ и направлением воздушного потока. Изменение давления вызывает колебания диафрагмы и появление соответствующих напряжений помех на выходе МФ. Из (3.24) видно, что максимальное изменение
давления происходит при углах θ равных 00 и 900 .
Защитой от этих помех, которые также называют ветровыми или «рор»
помехами, служат противоветровые сферические экраны («ветрозащиты») из
травленого поролона или многослойных металлических сеток, рассекающих
поток воздуха и ослабляющих его воздействие на диафрагму. Эффективность
экрана повышается с увеличением его размеров. Однако подбор оптимальных параметров ветрозащитных экранов представляет непростую задачу, т.к.
они оказывают существенное влияние на ЧХЧ и ХН микрофона в области
высоких частот. Отметим также, что ненаправленные МФ существенно
меньше подвержены влиянию ветровых помех в силу большей величины их
механического импеданса. Поэтому в условиях улицы (например, при репортажах) лучше использовать ненаправленные динамические МФ.
Вибрационный и структурный шумы обусловлены низкочастотными механическими колебаниями, действующими через элементы конструкции МФ
на капсюль, а затем через элементы акустико-механической системы на подвижный элемент. Вибрационный шум возникает из-за колебаний опор (пола,
стола, стойки), тряски МФ в руках исполнителя, случайных ударов и толчков.
Структурный шум возникает вследствие трения МФ об одежду (петличные МФ), сжимания и трения МФ в руках исполнителя (ручные МФ). В отличие от вибраций, передача механических колебаний происходит по оболочке корпуса и капсюля к чувствительному элементу МФ. К уменьшению
этих помех приводит уменьшение шероховатости корпуса, а также увеличение его толщины, разделение металлических оболочек капсюля и корпуса резиновыми или полимерными прокладками (с удельным акустическим сопротивлением сильно отличающимся от металла).
Механизм защиты от вибраций рассмотрим на примере применения внутреннего упругого амортизатора ручного микрофона (рис.3.18,а). Действие
такого амортизатора можно пояснить с помощью динамической модели,
представленной на рис. 3.18,б.
Рис. 3.18. Механизм защиты от вибрационных помех: а - схематическая конструкция капсюля и амортизирующего устройства; б – динамическая модель; веё эквивалентная схема
Величина паразитного выходного электрического сигнала определяется
смещением массы подвижной системы m1 относительно массы капсюля mк.
Если гибкость c1 подвеса подвижной системы достаточно мала, так что в диапазоне действия вибраций обеспечивается условие 1/ωc1 > ωm1 , то массы m1
и m k будут перемещаться практически с одной скоростью и синфазно. Это
означает, что разностная скорость (ξк – ξ1) будет мала и сигнал вибрационной
помехи незначителен (рис. 3.18,в). Если же 1/ωc1 < ωm1 (или ω> ω11 = 1 m1c1 )
упругое сопротивление подвеса не препятствует относительному смещению
масс m1 и m k и разностная скорость будет близка к вибрационной ξк, а сигнал вибропомехи достигнет наибольшего значения. Поскольку частота ω11
сильно зависит от принципа действия микрофона (в ненаправленных КМ она
лежит у верхней границы частотного диапазона, у направленных динамических в области 100- 300 Гц), то борьба с вибрационными помехами путем изменения ω11 фактически не может быть реализована.
Другая возможность заключается в уменьшении вибрационной скорости
ξк, т.е. ослабить передачу вибраций корпуса микрофона на капсюль m k. Это
достигается путем их разъединения амортизатором, т.е. гибкими прокладками, совокупную гибкость которых ca надо подобрать так, чтобы обеспечить (в отличие от предыдущего случая) как можно более низкую частоту
амортизации. Тогда в частотной области ω> ωа вибрации корпуса будут передаваться на капсюль m k (а следовательно и на m1) существенно ослабленными. Таким образом, для реализации малой вибровосприимчивости необходимо выполнение хотя бы одного из следующих условий:
ω11 >>ωн
(а);
ωа = 1 mk ca << ωн (б).
(3.25)
Аналогичным образом осуществляется амортизация микрофона от стойки
(посредством внешнего амортизатора микрофона, т.е. «паука»), микрофонной
стойки от пола (здесь в качестве амортизатора выступают резиновые прокладки между опорами стойки и полом) и т.д.
3.8. Комбинированные микрофоны
Комбинированными мы будем называть микрофоны, состоящие из двух
или более базовых типов капсюлей, размещенных в одном корпусе и имеющих общий электрический выход. Такое объединение может осуществляться
на уровне разных звеньев микрофона: электрического, электромеханического, акустико-механического. Иногда объединение осуществляется одновременно на уровне нескольких разных звеньев.
Электрически комбинированные микрофоны
Простейшей формой объединения является электрическое комбинирование, заключающееся в синфазном или противофазном сложении выходных
напряжений объединенных в группу капсюлей, иногда осуществляющееся с
применением дополнительных электрических фазосдвигающих цепочек или
аттенюаторов. Такое комбинирование позволяет реализовать возможность
дистанционного изменения ХН, что весьма ценно для некоторых эксплуатационных ситуаций. Кроме этого, если приемные элементы (капсюли) пространственно разнесены, то это позволяет осуществить в ряде случаев
обострение ХН такой системы по сравнению с ХН ее базовых элементов.
Рассмотрим несколько примеров электрического комбинирования.
На рис. 3.19,а представлен микрофон, состоящий из двух капсюлей с
одинаковой осевой чувствительностью, но с различной направленностью: А –
симметричный приемник разности давлений с выходным напряжением
u1=M1p cosθ и Б – приемник давления с выходным напряжением uв=M2 p.
Коммутационная система позволяет включать: капсюль А (замкнуты контакты 1-4 и 2-5), тогда выходное напряжение uв=u1; микрофон Б (замкнуты контакты 2-4 и 3-5), тогда uв= u2; либо оба капсюля включены последовательно на нагрузку R, тогда uв =u1+u2 =M1p (1+cosθ). Очевидно, что в первом
случае ХН – «круг», во втором – «восьмерка», в третьем – «кардиоида».
Рис. 3.19. Электрически комбинированные микрофоны: а – с ненаправленным и двусторонне направленным капсюлем; б – с двумя кардиоидными капсюлями
Таким образом строились микрофоны с односторонней или переключаемой ХН в 30 – 40х годах прошлого столетия, когда еще не получили распространения широкополосные однонаправленные микрофоны, рассмотренные нами в разделе 7.6. Реально односторонне-направленную ХН в таких
микрофонах удавалось получить в весьма узком диапазоне средних частот (в
две – три октавы) из-за принципиально разной амплитудной и фазовой частотной характеристики «восьмерочного» и « кругового» капсюлей, что особенно сильно проявляется в области НЧ и ВЧ.
Второй пример электрически комбинированного микрофона, состоящего из двух одинаковых «кардиоидных» капсюлей, показан на рис. 3.19,б.
Акустические оси капсюлей развернуты на 1800 (т.е. фронты капсюлей обращены в противоположные стороны), а акустические входы по-возможности
совмещены. Тогда их выходные напряжения определятся соотношениями:
u1=u0(1+cosθ)/2 , u2=u0[1+cos(θ+π)]/2 = u0(1-cosθ)/2.
(3.26)
При суммировании этих выходных напряжений (замкнуты контакты 2-4 и
3-5) комбинированный микрофон становится ненаправленным, при вычитании (замкнуты контакты 1-4 и 2-5) – двунаправленным, при снятии выходного сигнала только с одного капсюля (замкнут контакт 4 на 5) – кардиоидным.
Более сложная коммутационная система, позволяющая производить суммирование – вычитание неполных напряжений, дает возможность получить любую необходимую ХН, определяемую «улиткой Паскаля». Практическая
трудность конструктивной реализации такой системы состоит в сложности
совмещения акустических центров капсюлей: при их расположении по одной
оси появляется дополнительная геометрическая разность хода между центрами капсюлей, а при расположении один под другим (см. рис 3.19,б) возникает осевая асимметрия ХН [4].
Акустически комбинированные микрофоны
Получение комбинированных микрофонов не обязательно связано с использованием отдельных базовых капсюлей. Рассмотрим здесь двухмембранные конденсаторные микрофоны (ДКМ), как наиболее часто встречающийся
пример реализации в одном капсюле разных акустико - механических
свойств его элементов. Впервые такой тип микрофона был предложен в конце 20- х годов прошлого столетия немецкими акустиками Вебером и Браунмюллером (рис. 3.19., слева).
Конструкция капсюля (см. рис. 3.19, слева) ДКМ имеет следующие особенности:
- наличие двух больших мембран (2), симметрично расположенных относительно 1 - общего неподвижного электрода (НЭ);
- чередование в НЭ замкнутых полостей 3 и сквозных отверстий 4, соединяющих подмембранные зазоры 6.
Эти особенности и определяют комбинированный характер системы, т.к.
в подмембранных слоях образуются ячейки двух типов: в окрестностях глухих полостей – приемники давления, сквозных отверстий – приемники разности давлений. Таким образом, получается объединение под общей мембраной
«мозаики» миниатюрных микрофонов - ячеек двух типов: ненаправленных и
восьмерочных (двунаправленных).
Для ячеек давления направление возбуждающей силы практически не зависит от направления прихода звуковой волны, а для ячеек разности давлений зависит и определяется cosθ. Поэтому на фронтальной мембране (θ = 00)
силы давления и разности действуют в одном направлении. На тыловой мембране (θ=1800) эти силы действуют встречно, образуя на мембране участки,
совершающие колебания противоположного направления (противофазные).
Если колебания этих участков равны по величине (т.е. равны суммарные
объемные смещения в ячейках давления и разности давлений), то изменения
емкости разноименных участков преобразователя имеют противоположный
знак и в целом нейтрализуются. Поэтому, величина выходного напряжения,
развиваемого между НЭ и активной мембраной (т.е. той, на которую подано
поляризующее напряжение), зависит от положения мембраны, достигая максимального при фронтальном и минимума при тыловом. Таким образом получают микрофон с «кардиоидной» ХН. Более подробный анализ работы таких микрофонов дан в специальной литературе [1 - 5], так что здесь не будем
на этом более останавливаться.
Рассмотренная система оказалась удобна еще и тем, что при подаче на
обе мембраны поляризующего напряжения каждая половинка капсюля представляет в электрическом смысле отдельный микрофон - генератор электрического напряжения, максимумы чувствительности которых развернуты на
1800 . Выходные ЭДС таких половинок могут быть поданы на вход отдельных
микрофонных предусилителей, а полученные на их выходе напряжения u1 и
u2 можно складывать и вычитать, получая любую нужную ХН., подобно тому, как это было рассмотрено для электрически комбинированных микрофонов. Такое изменение ХН называют переключением в низкоомных цепях.
Рис. 3.19. Схематическая конструкция двухмембранного капсюля:
- с раздельным стоком воздуха (слева): 1 – неподвижный электрод, 2 – мембраны, 3 – глухие полости, 4 – сквозные отверстия в электроде, 6 – подмембранный
зазор;
- с совмещенным стоком (в центре и справа): 1 – неподвижные электроды, 2 –
мембраны, 3 – подмембранный зазор, 4 – подмембранные полости в виде концентрических пазов, 5 – межэлектродный зазор (щель), 6 – отверстия, соединяющие
объем 4 с щелью 5
Таким образом, помимо акустического комбинирования в ДКМ реализуется и электрическое комбинирование, к которому пришли только спустя 15
лет после изобретения ДКМ. Заметим, что первоначально переключение ХН
в ДКМ осуществлялось за счет изменения величины и знака поляризующего
напряжения на второй мембране, что называют переключением в высокоомных цепях. Его недостатками являются, во-первых, ощутимые на слух щелчки
при перезарядке мембран, во-вторых, постепенное изнашивание контактной
системы мембран от бросков напряжения, не смотря на принимаемые меры
(золочение поверхности лавсановых мембран, серебрение их центральных
контактов). Такие ДКМ уже к середине 20 века приобрели широкую популярность на различных студиях звукозаписи благодаря своим электроакустическим параметрам, высокому качеству звукопередачи и эксплуатационным
удобствам. С этим связано и появление распространенной до сих пор в среде
звукорежиссеров легенды об исключительном «звучании золотых мембран».
Вернемся теперь к конструкции капсюля. Принципиально капсюли ДКМ
можно подразделить на два типа, первый, уже рассмотренный нами, можно
назвать капсюлем с раздельным стоком воздуха из подмембранного зазора
(см. левый рис. 3.19). Таким образом, реализованы различные модели ДКМ в
30-60х годах, в том числе и микрофоны самой известной в производстве
ДКМ немецкой фирмы Neumann (вплоть до модели U-67). Однако потенциальные возможности получения всей совокупности электроакустических параметров и характеристик (величины чувствительности и неравномерности ее
частотной характеристики, ХН и т. д.) в ДКМ такого типа по ряду причин
оказались достаточно ограниченными.
Более высокие параметры реализуются в капсюлях с совмещенным сто-
ком. На рис. 3.19 (справа) приведена схематическая конструкция капсюля современного двухмембранного конденсаторного микрофона с неподвижными
электродами с совмещенным стоком, в конструкциях которых сквозные отверстия высверливаются в донышках полостей, выполняемых либо в пазовом, либо в цилиндрическом варианте.
Более подробно с анализом работы ДКМ в области ВЧ и НЧ можно
ознакомиться в работе [4, 5]. Здесь мы отметим лишь одну основную особенность их ЧПХЧ по сравнению с ранее рассмотренными одномембранными
КМ. С понижением частоты ХН у ДКМ расширяется по сравнению с кардиоидой. При эксплуатации в студиях рабочее расстояние ДКМ обычно не
менее 0,5 – 1 м, поэтому фактор ближнего поля не приводит к существенному (уже кардиоиды) обострению ХН, а подъем фронтальной ЧХЧ на НЧ не
превышает чувствительности в опорной зоне.
Для иллюстрации различного влияния удаленности микрофона от источника сигнала, на рис. 3.20 приведены экспериментальные ЧХЧ двухмембранного микрофона МК-17 и одномембранного МКЭ-2
в плоской
волне (снятая на НЧ в установке «бесконечная труба») и при R=1м в заглушенной камере № 3 (ВНИИРПА им. А.С. Попова).
Как следствие, при работе с ДКМ тембр голоса вокалиста или музыкального инструмента также практически не изменяется с расстоянием (по
терминологии звукорежиссеров «микрофон отпускает»). Именно этим и объясняется основная особенность звучания ДКМ по сравнению с ОКМ, а не
«золотыми» мембранами. Отметим также, что технология производства ДКМ
сложнее, чем ОКМ, поэтому они, как правило, дороже. Однако, хотя бы 2–3
модели ДКМ производит почти каждая крупная фирма профессиональных
микрофонов. Наиболее старая и известная из них – нижеупомянутая немецкая фирма Neumann. В нашей стране на производстве ДКМ специализируется
предприятие «Неватон» (г. Санкт-Петербург), кроме этого, 2 –3 модели (с
капсюлями разработки ВНИИРПА им. А.С.Попова) также производит предприятие «Октава» (г.Тула).
Рис. 3.20. Экспериментальные ЧХЧ одномембранного МКЭ-2 (а) и двухмембранного МК-17 (б) на НЧ при R=1м в ЗЗК (сплошная) и в плоской волне (пунктирная) в
установке «бесконечная труба»
3.9. Остронаправленные микрофоны
Дальность приема полезного сигнала микрофоном падает с повышением
уровня окружающего шума. Поэтому в случаях, когда невозможно применять
микрофон вблизи от источника полезного сигнала используют остронаправленные системы. Их применяют в звукозаписи
(натурные съемки, голоса
живой природы, студии телевидения и т.д.), при репортажах с мест событий
(часто совмещая с теле- или кинокамерой), в специальных целях. В соответствии со стандартами, остронаправленными называют микрофоны с коэффициентом направленности выше 4 (т.е. Ω > 4, соответственно I > 6 дБ), т.е.
чувствительность этих систем сильно зависит от направления прихода звука,
являясь высокой для источников, находящихся в относительно узком пространственном угле вблизи оси микрофона, и низкой к сигналам с других
направлений.
Острая ХН практически реализуется тремя основными способами:
- биградиентная система (градиента второго порядка);
- фокусирующая система рефлекторного типа;
- интерференционная система, иначе называемая микрофоном «бегущей волны» или просто «пушкой».
Все эти системы можно отнести в разряд комбинированных, потому что
их результирующие характеристики являются той или иной комбинацией характеристик капсюлей и различных акустических приемных антенн.
Биградиентная система
Эта система представляет собой группу из двух идентичных (рис.3.21),
пространственно разнесенных на расстояние h и соосно ориентированных
капсюлей с восьмерочной или любой односторонней ХН. Электрически такую пару включают встречно. Рассмотрим формирование ЧПХЧ такой системы в плоской волне, взяв за точку отсчета середину базы h между капсюлями 1 и 2. Чувствительность такой пары M12(θ,f) связана с выходным
напряжением u12 соотношением M12 = u 12/p , а u = M1(0) R1(θ), где M 1(0) –
осевая чувствительность, а R1(θ) – ХН единичного капсюля, для пары получим:
M 12 θ , f   2M 1 θ α  βcosθ sin
khcosθ
.
2
(3.27)
Откуда видно, что ЧХЧ этой системы на НЧ (при kh <π/3) будет возрастать пропорционально частоте, достигая max при kh = π (h = λ/2). ХН такой
системы в этом диапазоне частот в общем виде выразится формулой
(3.28,а), в частном (бикардиоидной пары) – (3.28, б), т. е.
R12(θ) = (α + β cosθ) cosθ,
(3.28,а)
Rθ  
1
1  cosθ cosθ .
2
(3.28,б)
На ВЧ (когда kh >π ), фронтальная ЧХЧ представляет собой «гребенку» с
max на частотах, соответствующих h =(2N+1) λ/2 и min при h =Nλ/2 (где N
– целое число), а в ХН появляются боковые лепестки. Чтобы избежать этих
нежелательных явлений, один из капсюлей пары отключают с помощью
фильтра низких частот с частотой среза около fc ≈ v/2h .
Рис. 3.21. Принцип работы биградиентной остронаправленной системы
Поэтому ЧПХЧ такой системы на ВЧ определяется индивидуальными характеристиками капсюля.
Основными недостатками таких систем, из-за которых они не нашли широкого применения, являются большая неравномерность фронтальной ЧХЧ и
сильная частотная зависимость ХН, расширяющейся на ВЧ.
Фокусирующая система рефлекторного типа.
Одной из первых попыток создания остронаправленных приемников звука
было использование фокусирующих систем, подобных оптическим зеркальным рефлекторам, концентрирующим отраженный световой поток в одной
точке (фокусе). В таких системах капсюль с ненаправленной или однонаправленной ХН помещается в фокусе параболического рефлектора, фронтальной поверхностью к рефлектору (рис. 3.22). Благодаря свойствам параболы, все падающие параллельно ее оси звуковые волны после отражения концентрируются в фокусе, во-вторых, все пути проходимые звуковыми лучами
к фокусу (например, от плоскости апертуры, обозначенной пунктиром), равны по величине. Значит, все отражения достигают мембраны в фазе, т.е. происходит суммирование звуковых давлений и усиление сигнала. С увеличением волновых размеров отражателя (т.е. с повышением частоты) увеличивается и суммарное звуковое давление в фокусе, на мембране микрофона. Для
приема отраженных от краев рефлектора волн без ослабления, ХН микрофона должна быть достаточно широкой.
Рис. 3.22. Принцип работы рефлекторного микрофона
Звуковые волны, приходящие под углом к оси параболы, рассеиваются
рефлектором, не попадая на микрофон. На НЧ (при ka<0,5) рефлектор практически не отражает (см. параграф 3.3), следовательно, усиления давления в
фокусе не происходит. На более высоких частотах (при 0,5< ka<3) усиление
рефлектора растет с частотой с крутизной около 6 дБ на октаву, ХН такой системы также сильно обостряется от, практически, ненаправленной на НЧ до
узкого лепестка на ВЧ. Поэтому при реальных размерах (диаметр от 0,3 до
1м) такая система не позволяет выделить полезный сигнал на фоне акустических шумов в НЧ части спектра.
В силу этих причин, а также громоздкости, рефлекторные системы находят только довольно узкое применение: запись голосов птиц, спец. назначение, иногда в натурных съемках.
Интерференционная остронаправленная система
Наиболее распространенными среди остронаправленных систем являются
микрофоны "бегущей волны", иначе называемые интерференционными или
просто "пушками". В современном виде он состоит из трубки с отверстиями
(или прорезями), на заднем торце которой расположен капсюль, обычно
электродинамического или конденсаторного типа. Схематически такой микрофон изображен на рис.3.23. Отверстия в трубке – звукопроводе – закрывают тканью или пористым материалом, акустическое сопротивление которого
возрастает по мере приближения к капсюлю. В некоторых конструкциях прибегают также к постепенному уменьшению диаметров отверстий. Это позволяет, во-первых, выровнять амплитуды парциальных звуковых давлений, поступающих в трубку из разных отверстий и претерпевающих затухание по
мере движения к мембране; во-вторых, избежать резких резонансных явлений, связанных с отражением волны в трубке от боковых отверстий и мем-
браны, приводящем к интерференционным пикам и провалам частотной характеристики.
Рис. 3.23. Принцип работы интерференционного микрофона
Так как скорость распространения звука внутри и снаружи трубки одна и
та же, то при падении звука по оси трубки все парциальные волны приходят к
мембране одновременно, в фазе. Поэтому величина звукового давления, действующего на мембрану, принципиально такая же, как если бы трубки не было совсем. При падении звука под углом к оси (например, при θ =900 ) парциальные волны доходят до мембраны с различной задержкой, определяемой
расстоянием от соответствующего отверстия до капсюля. При этом из-за их
интерференции на поверхности мембраны происходит частичное или полное
гашение, т.е. давление на поверхности мембраны уменьшается. Заметное
обострение ХН начинается с частот, где длина трубки H становится больше
половины длины звуковой волны, т.е. H>λ/2. С дальнейшим увеличением частоты ХН при H =λ приобретает форму «лепестка», т.к. при этом парциальное давление, приходящее от любого отверстия к мембране полностью гасится парциальным давлением от другого отверстия, расположенного на него на
расстоянии равном λ/2 и E(900)→0. Верхней границей эффективной работы
такой системы можно считать частоту, на которой выполняется соотношение
d =λ , т.е. расстояние между соседними отверстиями становится равным
длине звуковой волны. Если конструктивно удается выполнить во всем диапазоне частот d <λ , или сделать вместо отверстий сплошную щель вдоль
всей трубки, то такую антенну можно считать сплошной.
Согласно рис. 3.23 звуковая волна, падающая на рассматриваемую систему под углом  к оси трубки, достигнет i-го отверстия с разностью хода (i
- 1)dcos (считая первым отверстие, ближайшее к капсюлю). Для достижения диафрагмы волна, проникшая через это отверстие, должна пройти внутри
трубки расстояние (n - i)d, где d – расстояние между отверстиями (шаг), n общее число отверстий, H = (n - 1)d – длина антенны, pm – амплитуда парциальной звуковой волны, k = /c0 – волновое число.
Если шаг d выбран существенно меньше, чем половина длины звуковой
волны на верхней граничной частоте, и n достаточно велико (n  ), то такую антенну можно считать сплошной, а ее ХН выразится соотношением
Rθ  
2 sink H1  cosθ  / 2
.
k H1  cosθ 
(3.29)
Поскольку k = /v0, то знаменатель этого выражения представляет собой линейную функцию частоты, в связи, с чем боковых максимумов, равных основному, возникнуть не может. Основной же "лепесток" может сформироваться лишь при условии Н  . В эксплуатации трубки длиной более 1 м не
применяются. Поэтому нижняя граница направленного действия составляет обычно fн = 300Гц и выше. Для улучшения направленности на более низких частотах прибегают к использованию капсюлей с односторонней направленностью, реализуемых традиционным способом, т.е. с использованием
второго входа. Более подробный анализ работы таких систем можно найти в
[1,4].
Контрольные вопросы к главе 3
3.1. Что такое микрофон? Какова его функционально-системная структура?
3.2. Что такое чувствительность и частотная характеристика чувствительности микрофона (ЧХЧ) в общем виде?
3.3. Какие основные типы приемников звука вы знаете? Каковы их акустические и акустико-механические характеристики?
3.4. Что такое характеристика и коэффициент направленности? Назовите основные типы характеристик направленности (ХН) и объясните как они реализуются.
3.5. Что такое эффект ближней зоны? Как он влияет на характеристики различных типов приемников звука и преимущественно в каком частотном
диапазоне?
3.6. Какое явление имеет место в диапазоне высоких частот при взаимодействии звуковой волны и микрофона? На каких параметрах микрофона это отражается?
3.7. Как устроен двусторонне направленный ленточный микрофон? Как
формируется его ЧХЧ и ХН?
3.8. Как устроен однонаправленный динамический микрофон? Как формируется его ЧХЧ и ХН?
3.9. Как устроен ненаправленный конденсаторный микрофон? Как формируется его ЧХЧ и ХН?
3.10. Как устроен однонаправленный конденсаторный микрофон с одной
мембраной? Как формируется его ЧХЧ и ХН?
Какова роль предусилителя в конденсаторных микрофонах?
3.11. Для чего нужен источник внешнего напряжения в конденсаторных микрофонах?
3.12. Нужен ли источник внешнего напряжения в электретных конденсаторных микрофонах? Если нужен, то для чего?
3.13. Как устроены электрически комбинированные микрофоны? Как формируются их ХН?
3.14. Как устроен двухмембранный конденсаторный (акустически комбинированный) микрофон? Как формируются его ЧХЧ и ХН?
3.15. Что такое остронаправленные микрофоны? Какие их типы вы знаете?
3.16. Объясните принцип работы и устройства остронаправленных микрофонов интерференционного типа. Каковы их особенности?
3.17. Назовите основные параметры микрофонов, определяющие их частотный и динамический диапазон.
3.18. Назовите основные параметры микрофонов, определяющие соотношение сигнал-шум в звуковом тракте и на его входе (в акустическом поле).
3.19. Расскажите о классификации микрофонных шумов и помех. Что такое
внутренние шумы и чем они определяются?
3.20. Что такое наводимые шумы и как от них защищают микрофоны?
3.21. Что такое вибрационный и ветровой шум и как от них защищают
микрофоны?
3.22. Что такое радиомикрофоны? Каковы их достоинства и недостатки по
сравнению с проводными микрофонами?