Mikrofon | Digitální hudební akademie

Mikrofon (z řeckého μικρός – malý, φωνη – zvuk) – elektroakustické zařízení přeměňující zvukové vibrace na vibrace elektrického proudu, vstupní zařízení. Slouží jako primární článek v řetězci záznamu zvuku nebo zesílení zvuku. Mikrofony se používají v mnoha zařízeních, jako jsou telefony a magnetofony, při nahrávání zvuku a videa, v rádiu a televizi, pro rádiovou komunikaci a pro ultrazvukové testování a měření.

Příběh

Zpočátku byl nejrozšířenější uhlíkový mikrofon Edison, na jehož vynález se také nezávisle přihlásili G. Makhalsky v roce 1878 a P. M. Golubitsky v roce 1883. Uhlíkový mikrofon se dodnes používá v analogových telefonních zařízeních. Jeho činnost je založena na změně odporu mezi zrny uhlíkového prášku při změně tlaku na ně.

Kondenzátorový mikrofon vynalezl americký vědec E. Wente v roce 1917. Zvuk v něm působí na tenkou kovovou membránu a mění vzdálenost mezi membránou a kovovým tělem. Kondenzátor tvořený membránou a tělesem tedy mění svou kapacitu. Pokud je na desky aplikováno konstantní napětí, změna kapacity způsobí proud přes kondenzátor, čímž se generuje elektrický signál ve vnějším obvodu.

Dynamické mikrofony se rozšířily; od uhlíkových mikrofonů se liší mnohem lepší linearitou charakteristik a dobrými frekvenčními vlastnostmi a od kondenzátorových mikrofonů přijatelnějšími elektrickými vlastnostmi.

První dynamický mikrofon byl páskový elektrodynamický mikrofon vynalezený v roce 1924 německými vědci E. Gerlachem a W. Schottkym. Do magnetického pole umístili vlnitý pásek velmi tenké (cca 2 mikrony) hliníkové fólie. Takové mikrofony se stále používají ve studiovém nahrávání pro jejich extrémně vysoké frekvenční charakteristiky, ale jejich citlivost je nízká a jejich výstupní impedance velmi nízká (zlomky Ohmů), což výrazně zkomplikovalo konstrukci zesilovačů. Navíc dostatečné citlivosti lze dosáhnout pouze s velkou plochou pásku (a tedy velikostí magnetu), což má za následek, že takové mikrofony jsou rozměrově i hmotnostně větší ve srovnání se všemi ostatními typy.

Piezoelektrický mikrofon, který v roce 1925 zkonstruovali sovětští vědci S. N. Rževkin a A. I. Jakovlev, má jako snímač akustického tlaku destičku vyrobenou z látky s piezoelektrickými vlastnostmi. Práce jako tlakový senzor umožnila vytvoření prvních hydrofonů a záznam zvuků ultranízké frekvence, charakteristických pro mořský život.

V roce 1931 vynalezli američtí vědci E. Wente a A. Teras dynamický mikrofon s cívkou nalepenou na tenké membráně z polystyrenu nebo fólie. Na rozdíl od páskového typu měl výrazně vyšší výstupní odpor (desítky ohmů a stovky kiloohmů), dal se vyrábět v menších velikostech a je reverzibilní.

Zlepšení vlastností těchto mikrofonů v kombinaci se zlepšením zařízení pro zesílení zvuku a záznam zvuku umožnilo rozvoj průmyslu záznamu zvuku. Vývoj dynamických mikrofonů malých rozměrů (i přes hmotnost permanentního magnetu potřebného pro fungování mikrofonu) a extrémně citlivých a vysoce zaměřených výrazně změnil pojetí soukromí a vedl k řadě změn v legislativě (zejména v oblasti používání odposlouchávacích zařízení).

Přitom vyvinuté elektromagnetické mikrofony na rozdíl od elektrodynamických mají na membráně připevněný permanentní magnet a pevnou cívku. Vzhledem k absenci přísných požadavků na hmotnost cívky (typické pro dynamické mikrofony) se takové mikrofony vyráběly vysokoimpedanční a někdy měly i víceodpichové cívky, díky čemuž byly univerzálnější. Takové mikrofony spolu s piezoelektrickými umožnily vytvořit účinná sluchadla, ale i laryngofony.

Elektretový mikrofon, vynalezený japonským vědcem Yoguchi na počátku 20. let. Kondenzátor XNUMX. století je principem činnosti a konstrukcí podobný kondenzátoru, ale elektretová deska funguje jako pevná kondenzátorová deska a zdroj konstantního napětí. Takové mikrofony byly dlouhou dobu poměrně drahé a jejich velmi vysoká výstupní impedance (jako kondenzátorové, jednotky megaohmů a vyšší) si vynutila použití výhradně elektronkových obvodů.

Vývoj tranzistorů s efektem pole vedl k vývoji extrémně účinných, miniaturních a lehkých elektretových mikrofonů v kombinaci s tranzistorovým předzesilovačem s efektem pole zabudovaným do stejného pouzdra.

Používají se k tomu různé metody. Například v kondenzátorovém mikrofonu je to kondenzátor. Membrána je jedna deska kondenzátoru, druhá je upevněna na místě. Při kmitání se mění vzdálenost mezi deskami, a tedy i kapacita kondenzátoru. V tomto případě má proud tekoucí v obvodu připojeném ke kondenzátoru podobu zvukové vlny:

S pomocí mikrofonu se tedy zvukové vlny přeměňují na elektrické vlny.

Kondenzátorové a dynamické mikrofony

Termíny „kondenzátor“ a „dynamický“ se používají k popisu dvou hlavních typů vysoce kvalitních mikrofonů, které se dnes používají.

Rozdíly mezi kondenzátorovými a dynamickými (cívkovými) mikrofony:

• Kondenzátorové mikrofony na rozdíl od dynamických vyžadují přídavné napájení, ale vlastnosti jejich konstrukce umožňují výrobu miniaturních modelů, zatímco dynamické mikrofony se vyznačují velkými rozměry, diktovanými specifiky jejich mechanismu.
• Kondenzátorové mikrofony se používají především při nahrávání vokálů a akustických nástrojů, dynamické mikrofony, které mají vyšší úroveň přetížitelnosti, jsou častěji využívány v koncertní praxi, stejně jako pro práci s kytarovými zesilovači a bicími nástroji.
• Kondenzátorové mikrofony mají obecně širší frekvenční rozsah.

Typ kondenzátorového mikrofonu je mikrofon elektretový, je mnohem levnější, méně náročný na provozní podmínky, ale má skromnější vlastnosti.

Variantou dynamického mikrofonu je páskový dynamický mikrofon. Svou charakteristikou se blíží spíše kondenzátoru a lze jej použít pouze ve studiových podmínkách.

Princip činnosti kondenzátorového mikrofonu

Clona 1
Pevný vodič 2
Napájení E
Odolnost proti zatížení R

Membrána v kondenzátorovém mikrofonu je velmi tenká plastová fólie (1), která je na jedné straně potažena niklem nebo zlatem. Tato fólie je umístěna vedle pevné desky z vodiče (2).

Elektrické pole mezi membránou a touto deskou vzniká dvěma způsoby:

• baterie nebo fantomové napájení, které přivádí polarizační napětí na membránu,
• U elektretových mikrofonů se k tomuto účelu používá trvale polarizovaný materiál, který je umístěn v pevné desce nebo v membráně.

Membrána a deska, oddělené malou vzduchovou mezerou, tvoří kondenzátor, jehož kapacita se mění v závislosti na pohybech membrány, ke kterému dochází vlivem zvukových vln.

Elektrický náboj stacionární desky se proporcionálně mění v souladu s přiblížením nebo odstraněním membrány z ní, to znamená, že oscilační napětí desky elektricky „odráží“ pohyby membrány.

Jak sestavit kondenzátor Neumann U87

Princip činnosti dynamického mikrofonu

Dynamický mikrofon funguje na principu, který je opačný než u reproduktoru. V tomto případě je membrána spojena s vodivou cívkou, která je umístěna v magnetickém poli tvořeném permanentním magnetem.

V důsledku dopadu zvukové vlny začne membrána vibrovat, což následně způsobí pohyb kmitací cívky. Vibrační pohyby drátu v magnetickém poli způsobují vzhled elektrického proudu. Směr a velikost tohoto proudu je ovlivněna pohyby membrány, takže v dynamickém mikrofonu proud zvukovou vlnu elektricky „odráží“.

Princip činnosti elektrodynamického cívkového mikrofonu: v prstencové mezeře 1 magnetického systému, který má permanentní magnet 2, je pohyblivá cívka 3, upevněná na membráně 4.
Když je tento vystaven akustickému tlaku, začne oscilovat společně s pohybující se cívkou.
V důsledku toho se v závitech cívky generuje napětí, které přerušuje magnetické siločáry, což je výstupní signál mikrofonu (elektromagnetická indukce).

Konstrukce páskového elektrodynamického mikrofonu se poněkud liší od konstrukce modifikace cívky.
Zde se magnetický systém mikrofonu skládá z permanentního magnetu 1 a pólových nástavců 2, mezi nimiž je napnuta lehká, obvykle hliníková, tenká (asi 2 mikrony) páska 3.
Když je na obě strany pásky aplikován akustický tlak, je generována síla, která způsobuje, že páska vibruje, překračuje magnetické siločáry, což způsobuje rozvoj napětí na jejích koncích.

DIY dynamický mikrofon

Konstrukce elektrodynamické hlavy je díky své reverzibilitě principiálně shodná s konstrukcí dynamického mikrofonu, a proto mohou být tato zařízení zaměnitelná.

Například v mnoha konstrukcích interkomů, interkomů a dokonce i v odposlechových zařízeních, jakmile je nainstalují speciální služby do drátových rozhlasových přijímačů, mohly být dynamické hlavy použity jako zvukový přijímač – mikrofon.

Různé typy mikrofonů

• Uhlíkový mikrofon (a) Prvním zařízením používaným pouze jako mikrofon byl Edisonův uhlíkový mikrofon, na jehož vynález se také nezávisle přihlásili Genrikh Mahalsky v roce 1878 a Pavel Golubitsky v roce 1883. Jeho činnost je založena na změně odporu mezi zrnky uhlíkového prášku při změně tlaku na ně.
• Kondenzátorový mikrofon (d) Kondenzátorový mikrofon vynalezl inženýr Bell Labs Edward Christopher Wente v roce 1916. Zvuk v něm působí na tenkou kovovou membránu a mění vzdálenost mezi membránou a kovovým tělem. Kondenzátor tvořený membránou a tělesem tedy mění svou kapacitu. Pokud je na desky aplikováno konstantní napětí, změna kapacity způsobí proud přes kondenzátor, čímž se generuje elektrický signál ve vnějším obvodu.
• Elektretový mikrofon, vynalezený japonským vědcem Yoguchi na počátku 1920. let XNUMX. století, je principem činnosti a provedením podobný kondenzátorovému mikrofonu, ale jako pevná kondenzátorová deska a zdroj konstantního napětí funguje deska z elektretu (materiál schopný udržet povrchový náboj po dlouhou dobu).
• Piezoelektrický mikrofon (e) Piezoelektrický mikrofon, navržený sovětskými vědci S. N. Rževkinem a A. I. Jakovlevem v roce 1925, má jako snímač akustického tlaku desku vyrobenou z látky s piezoelektrickými vlastnostmi (tj. při stlačení vytváří elektrický náboj).
• Páskový elektrodynamický mikrofon (g) Prvním dynamickým mikrofonem byl páskový elektrodynamický mikrofon vynalezený v roce 1924 německými vědci Gerwinem Erlachem a Schottkym. Do magnetického pole umístili vlnitý pás velmi tenké (asi 2 mikrony) hliníkové fólie. Takové mikrofony se pro svou extrémně širokou frekvenční charakteristiku stále používají při studiovém záznamu, ale jejich citlivost je nízká a výstupní impedance velmi nízká (zlomky ohmů), což výrazně komplikuje konstrukci zesilovačů. Navíc dostatečné citlivosti lze dosáhnout pouze s velkou plochou pásku (a tedy velikostí magnetu), což má za následek, že takové mikrofony jsou rozměrově i hmotnostně větší ve srovnání se všemi ostatními typy.
• Cívkový elektrodynamický mikrofon (in) V roce 1931 vynalezli američtí inženýři Wente a Thuras (Albert L. Thuras) dynamický mikrofon s cívkou nalepenou na tenkou membránu vyrobenou z polystyrenu nebo fólie. Na rozdíl od páskového typu měl výrazně vyšší výstupní odpor (desítky ohmů a stovky kiloohmů), dal se vyrábět v menších velikostech a je reverzibilní. Zlepšení vlastností těchto mikrofonů v kombinaci se zdokonalením zvukového zesilovače a zařízení pro záznam zvuku umožnilo rozvoj průmyslu záznamu zvuku nejen ve studiových podmínkách.
• Elektromagnetický mikrofon (b) Zároveň vyvinuté elektromagnetické mikrofony mají na rozdíl od elektrodynamických permanentní magnet připevněný k membráně a pevnou cívku.