Ako funguje mikrofón, typy mikrofónov
Na premenu zvukových vibrácií na elektrický prúd sa používajú špeciálne elektroakustické zariadenia nazývané mikrofóny. Názov tohto zariadenia súvisí s kombináciou dvoch gréckych slov, ktoré sa prekladajú ako „malý“ a „hlas“.
Mikrofón je konvertor akustických vibrácií vo vzduchu na elektrické vibrácie.
Princíp činnosti mikrofónu spočíva v tom, že zvukové vibrácie (v skutočnosti kolísanie tlaku vzduchu) ovplyvňujú citlivú membránu zariadenia a už vibrácie membrány spôsobujú generovanie elektrických vibrácií, pretože je to membrána, ktorá je spojená s dielom. zariadenia generujúceho elektrický prúd, ktorého zariadenie závisí od typu konkrétneho mikrofónu.
Tak či onak sú dnes mikrofóny široko používané v rôznych oblastiach vedy, techniky, umenia atď. Používajú sa v audio zariadeniach, v mobilných prístrojoch, používajú sa pri hlasovej komunikácii, hlasovom zázname, v lekárskej diagnostike a pri ultrazvukovom výskume.slúžia ako senzory a v mnohých a mnohých iných oblastiach ľudskej činnosti sa bez mikrofónu v tej či onej podobe jednoducho nezaobídete.
Mikrofóny majú rôzny dizajn, pretože v rôznych typoch mikrofónov sú za generovanie elektrických oscilácií zodpovedné rôzne fyzikálne javy, z ktorých hlavné sú: elektrický odpor, elektromagnetická indukcia, zmena kapacity a piezoelektrický efekt... Dnes podľa princípu zariadenia možno rozlíšiť tri hlavné typy mikrofónov: dynamický, kondenzátorový a piezoelektrický. Na niektorých miestach sú však zatiaľ dostupné aj karbónové mikrofóny, ktorými začneme našu recenziu.
Uhlíkový mikrofón
V roku 1856 francúzsky vedec Du Monsel publikoval svoj výskum, ktorý preukázal, že aj pri malej zmene kontaktnej plochy grafitových elektród sa pomerne výrazne mení ich odpor voči toku elektrického prúdu.
O dvadsať rokov neskôr americký vynálezca Emil Berliner vytvoril prvý uhlíkový mikrofón na svete založený na tomto efekte. Stalo sa tak 4. marca 1877.
Činnosť mikrofónu Berliner bola presne založená na vlastnosti kontaktovania uhlíkových tyčiniek na zmenu odporu obvodu v dôsledku zmeny vodivej kontaktnej plochy.
Už v máji 1878 bol daný vývoj vynálezu David Hughes, ktorý nainštaloval grafitovú tyč so zahrotenými koncami a membránou, ktorá je k nej pripevnená medzi pár uhlíkových pohárov.
Keď membrána zavibruje pôsobením zvuku na ňu, zmení sa aj kontaktná plocha tyče s pohárikmi a tým sa zmení aj odpor elektrického obvodu, ku ktorému je tyč pripojená. V dôsledku toho sa po vibráciách zvuku zmenil prúd v obvode.
Thomas Alva Edison zašiel ešte ďalej — tyč nahradil uhoľným prachom. Autorom najznámejšieho dizajnu uhlíkového mikrofónu je Anthony White (1890). Práve tieto mikrofóny možno stále nájsť v náhlavných súpravách starých analógových telefónov.
Uhlíkový mikrofón je navrhnutý a funguje nasledovne. Uhlíkový prášok (granule) uzavretý v uzavretej kapsule sa nachádza medzi dvoma kovovými platňami. Jedna z doštičiek na jednej strane kapsuly je pripojená k membráne.
Keď zvuk pôsobí na membránu, vibruje a prenáša vibrácie na uhlíkový prach. Prachové častice vibrujú a z času na čas menia oblasť vzájomného kontaktu. Teda kolíše aj elektrický odpor mikrofónu, čím sa mení prúd v obvode, do ktorého je zapojený.
Prvé mikrofóny boli zapojené do série s galvanickou batériou ako zdroj napätia.
Pri pripojení takéhoto mikrofónu na primárne vinutie transformátora je možné eliminovať zvuk, ktorý kolíše v čase so zvukom pôsobiacim na membránu z jej sekundárneho vinutia. Napätie… Uhlíkový mikrofón má vysokú citlivosť, vďaka čomu je možné ho v niektorých prípadoch použiť aj bez zosilňovača. Hoci uhlíkový mikrofón má významnú nevýhodu - prítomnosť významných nelineárnych skreslení a šumu.
Kondenzátorový mikrofón
Kondenzátorový mikrofón (ktorý je založený na princípe zmeny elektrickej kapacity pod vplyvom zvuku) vynašiel americký inžinier Edward Wente v roku 1916Schopnosť kondenzátora meniť kapacitu v závislosti od zmeny vzdialenosti medzi jeho doskami bola už v tom čase dobre známa a študovaná.
Jedna z dosiek kondenzátora tu teda pôsobí ako tenká pohyblivá membrána citlivá na zvuk. Membrána sa vďaka svojej tenkosti ukazuje ako ľahká a citlivá, keďže na jej výrobu sa tradične používa tenký plast s najtenšou vrstvou zlata alebo niklu. V súlade s tým musí byť druhá doska kondenzátora upevnená stacionárne.
Keď striedavý akustický tlak pôsobí na tenkú dosku, spôsobuje jej vibráciu – alebo pohyb smerom k druhej doske kondenzátora a potom od nej. V tomto prípade sa elektrická kapacita takéhoto typu variabilného kondenzátora mení a mení. Výsledkom je, že v elektrickom obvode, v ktorom je tento kondenzátor zahrnutý, elektriny kmitanie opakujúce tvar zvukovej vlny dopadajúcej na membránu.
Pracovné elektrické pole medzi platňami je vytvorené buď externým zdrojom napätia (napr. batéria) alebo prvotným nanesením polarizovaného materiálu ako povlaku na jednu z platní (elektretový mikrofón je typ kondenzátorového mikrofónu).
Tu je potrebné použiť predzosilňovač, pretože signál je veľmi slabý, pretože zmena kapacity zo zvuku sa ukazuje ako extrémne malá, membrána takmer nepostrehnuteľne vibruje. Keď obvod predzosilňovača zvýši amplitúdu zvukového signálu, už zosilnený signál je potom smerovaný do zosilňovača... Preto prvá výhoda kondenzátorových mikrofónov — sú super citlivé aj pri veľmi vysokých frekvenciách.
Dynamický mikrofón
O zrod dynamického mikrofónu sa zaslúžili nemeckí vedci Džervín Erlach a Walter Schottky… V roku 1924 predstavili nový typ mikrofónu, dynamický mikrofón, ktorý ďaleko prekonal svojho karbónového predchodcu z hľadiska linearity a frekvenčnej odozvy a svojimi pôvodnými elektrickými parametrami prekonal svojho kondenzátorového náprotivku. Do magnetického poľa umiestnili vlnitú pásku veľmi tenkej (asi 2 mikróny hrubej) hliníkovej fólie.
V roku 1931 model vylepšili americkí vynálezcovia. Tøres a Vente… Ponúkli dynamický mikrofón s induktorom… Toto riešenie je stále považované za najlepšie pre nahrávacie štúdiá.
Dynamický mikrofón je založený na fenomén elektromagnetickej indukcie… Membrána je pripevnená na tenký medený drôt ovinutý okolo ľahkej plastovej trubice v permanentnom magnetickom poli.
Zvukové vibrácie pôsobia na membránu, membrána sa chveje, pričom opakuje tvar zvukovej vlny, pričom svoje pohyby prenáša na drôt, drôt sa pohybuje v magnetickom poli a (v súlade so zákonom elektromagnetickej indukcie) sa indukuje elektrický prúd v drôte, opakovanie tvaru zvuku, padajúce na membránu.
Pretože drôt s plastovou podperou je pomerne ľahká konštrukcia, ukazuje sa, že je veľmi mobilný a veľmi citlivý a striedavé napätie indukované elektromagnetickou indukciou je významné.
Elektrodynamické mikrofóny sa delia na mikrofóny cievkové (vybavené membránou v prstencovej medzere magnetu), páskové mikrofóny (v ktorých ako materiál cievky slúži vlnitá hliníková fólia), izodynamické atď.
Klasický dynamický mikrofón je spoľahlivý, má široký rozsah amplitúdovej citlivosti v frekvenčnom rozsahu zvuku a jeho výroba je lacná. Nie je však dostatočne citlivý pri vysokých frekvenciách a zle reaguje na náhle zmeny akustického tlaku – to sú dve z jeho hlavných nevýhod.
Dynamický páskový mikrofón sa líši tým, že magnetické pole vytvára permanentný magnet s pólovými nástavcami, medzi ktorými je tenký hliníkový pásik, ktorý je náhradou medeného drôtu.
Páska má vysokú elektrickú vodivosť, ale indukované napätie je malé, preto ho treba do obvodu pridať zvýšiť transformátor… Užitočný zvukový signál je v takomto obvode odstránený sekundárnym vinutím transformátora.
Pásový dynamický mikrofón vykazuje na rozdiel od bežného dynamického mikrofónu veľmi jednotný frekvenčný rozsah.
Ako materiál permanentného magnetu používajú mikrofóny tvrdé magnetické zliatiny s vysokou zvyškovou indukciou (napr. NdFeB). Telo a krúžok sú vyrobené z mäkkých magnetických zliatin (napr. elektrooceľ alebo permaloid).
Piezoelektrický mikrofón
Nové slovo v audiotechnike vyslovili ruskí vedci Rževkin a Jakovlev v roku 1925. Navrhli zásadne nový prístup k premene zvuku na prúdové oscilácie — piezoelektrický mikrofón. Pôsobenie akustického tlaku je vystavené piezoelektrický kryštál.
Zvuk pôsobí na membránu pripojenú k tyči, ktorá je zase pripevnená k piezoelektriku. Piezokryštál sa pôsobením vibrácií tyče deformuje a na jeho svorkách sa objaví napätie, ktoré opakuje tvar dopadajúceho zvuku. Toto napätie sa používa ako užitočný signál.