Kaip veikia mikrofonas, mikrofonų tipai

Garso virpesiams paversti elektros srove naudojami specialūs elektroakustiniai prietaisai, vadinami mikrofonais. Šio įrenginio pavadinimas yra susijęs su dviejų graikiškų žodžių junginiu, kurie verčiami kaip „mažas“ ir „balsas“.

Mikrofonas yra oro akustinių virpesių keitiklis į elektrines vibracijas.

Mikrofono veikimo principas yra tas, kad garso vibracijos (iš tikrųjų oro slėgio svyravimai) veikia jautrią prietaiso membraną, o jau membranos vibracijos sukelia elektrinių virpesių generavimą, nes būtent membrana yra prijungta prie dalies. elektros srovę generuojančio įrenginio, kurio įrenginys priklauso nuo konkretaus mikrofono tipo.

Vienaip ar kitaip, šiandien mikrofonai plačiai naudojami įvairiose mokslo, technologijų, meno srityse ir kt. Jie naudojami garso aparatūros, mobiliųjų prietaisų, balso komunikacijos, balso įrašymo, medicininės diagnostikos ir ultragarso tyrimų srityse.jie tarnauja kaip jutikliai, o daugelyje kitų žmogaus veiklos sričių tiesiog neįmanoma apsieiti be mikrofono vienaip ar kitaip.

Mikrofonai turi skirtingą dizainą, nes skirtingų tipų mikrofonuose už elektrinių virpesių generavimą yra atsakingi skirtingi fiziniai reiškiniai, iš kurių pagrindiniai yra: elektrinė varža, elektromagnetinė indukcija, pajėgumo pokytis ir pjezoelektrinis efektas... Šiandien pagal įrenginio principą galima išskirti tris pagrindinius mikrofonų tipus: dinaminius, kondensacinius ir pjezoelektrinius. Tačiau kai kur kol kas yra ir anglies mikrofonų, nuo kurių ir pradėsime apžvalgą.

Anglies mikrofonas

Prancūzų mokslininkas 1856 m Du Monsel paskelbė savo tyrimą, kuris parodė, kad net ir nežymiai pasikeitus grafito elektrodų kontaktiniam plotui, jų atsparumas elektros srovės tekėjimui pasikeičia gana reikšmingai.

Po dvidešimties metų amerikiečių išradėjas Emilis Berlineris pagal šį efektą sukūrė pirmąjį pasaulyje anglies mikrofoną. Tai atsitiko 1877 metų kovo 4 dieną.

„Berliner“ mikrofono veikimas buvo tiksliai pagrįstas anglies strypų kontakto savybe pakeisti grandinės varžą dėl laidžiojo kontakto ploto pasikeitimo.

Jau 1878 m. gegužės mėn. buvo pateiktas išradimo tobulinimas Davidas Hughesas, kuris tarp poros anglies puodelių sumontavo grafito strypą smailiais galais ir prie jo pritvirtintą membraną.

Kai membrana vibruoja nuo garso poveikio, pasikeičia ir strypo kontakto su kaušeliais plotas, taip pat keičiasi ir elektros grandinės, prie kurios yra prijungtas strypas, varža. Dėl to srovė grandinėje pasikeitė po garso virpesių.

Tomas Alva Edisonas nuėjo dar toliau – strypą jis pakeitė anglies dulkėmis. Garsiausio anglies mikrofono dizaino autorius yra Anthony White'as (1890). Būtent šiuos mikrofonus vis dar galima rasti senų analoginių telefonų ausinėse.

Anglies mikrofonas sukurtas ir veikia taip. Anglies milteliai (granulės), esantys sandarioje kapsulėje, yra tarp dviejų metalinių plokščių. Viena iš plokštelių vienoje kapsulės pusėje yra sujungta su membrana.

Kai garsas veikia membraną, jis vibruoja, perduodamas virpesius anglies dulkėms. Dulkių dalelės vibruoja, kartkartėmis keisdamos sąlyčio plotą. Taigi, mikrofono elektrinė varža taip pat svyruoja, pakeisdama srovę grandinėje, kurioje jis yra prijungtas.

Pirmieji mikrofonai buvo sujungti nuosekliai su galvaniniu akumuliatoriumi kaip įtampos šaltinį.

Tokį mikrofoną prijungus prie transformatoriaus pirminės apvijos, iš jo antrinės apvijos galima pašalinti garsą, kuris svyruoja laike su membraną veikiančiu garsu. Įtampa… Anglies mikrofonas pasižymi dideliu jautrumu, todėl kai kuriais atvejais jį galima naudoti net be stiprintuvo. Nors anglies mikrofonas turi reikšmingą trūkumą - didelių nelinijinių iškraipymų ir triukšmo buvimas.

Kondensatoriaus mikrofonas

Kondensacinį mikrofoną (kuris pagrįstas elektros galios keitimo garsui veikiant principu) išrado amerikiečių inžinierius. Edvardas Ventė 1916 metaisKondensatoriaus gebėjimas keisti talpą priklausomai nuo atstumo tarp jo plokščių pokyčio jau tuo metu buvo gerai žinomas ir ištirtas.

Taigi, viena iš kondensatoriaus plokščių čia veikia kaip plona kilnojama membrana, jautri garsui. Membrana dėl savo plonumo pasirodo lengva ir jautri, nes jai gaminti tradiciškai naudojamas plonas plastikas su ploniausiu aukso ar nikelio sluoksniu. Atitinkamai, antroji kondensatoriaus plokštė turi būti pritvirtinta stacionariai.

Kai kintamasis garso slėgis veikia ploną plokštę, ji vibruoja arba juda link antrosios kondensatoriaus plokštės, tada toliau nuo jos. Tokiu atveju tokio tipo kintamo kondensatoriaus elektrinė talpa kinta ir kinta. Dėl to elektros grandinėje, kurioje yra šis kondensatorius, elektros svyravimas, pakartojantis ant membranos krentančios garso bangos formą.

Veikiantis elektrinis laukas tarp plokščių sukuriamas arba išoriniu įtampos šaltiniu (pvz., baterija) arba iš pradžių poliarizuota medžiaga padengiant vieną iš plokščių (elektretinis mikrofonas yra kondensatorinio mikrofono tipas).

Čia reikia naudoti išankstinį stiprintuvą, nes signalas yra labai silpnas, nes talpos pokytis nuo garso pasirodo labai mažas, membrana vibruoja vos pastebimai. Kai išankstinio stiprintuvo grandinė padidina garso signalo amplitudę, jau sustiprintas signalas nukreipiamas prie stiprintuvo… Taigi pirmasis kondensacinių mikrofonų pranašumas – jie yra labai jautrūs net esant labai aukštiems dažniams.

Dinaminis mikrofonas

Dinaminio mikrofono gimimas yra vokiečių mokslininkų nuopelnas Gervinas Erlachas ir Walteris Šotkis… 1924 m. jie pristatė naujo tipo mikrofoną – dinaminį mikrofoną, kuris tiesiškumu ir dažnio atsaku gerokai pranoko savo pirmtaką iš anglies ir pranoko savo kondensatorių savo originaliais elektriniais parametrais. Jie į magnetinį lauką įdėjo gofruotą labai plonos (apie 2 mikronų storio) aliuminio folijos juostelę.

1931 metais modelį patobulino amerikiečių išradėjai. Tøres ir Vente… Jie pasiūlė dinaminį mikrofoną su induktoriumi… Šis sprendimas vis dar laikomas geriausiu įrašų studijoms.

Dinaminis mikrofonas yra pagrįstas elektromagnetinės indukcijos reiškinys… Membrana pritvirtinta prie plonos varinės vielos, apvyniotos aplink lengvą plastikinį vamzdelį nuolatiniame magnetiniame lauke.

Garso virpesiai veikia membraną, membrana vibruoja, kartodama garso bangos formą, perduodant savo judesius į laidą, viela juda magnetiniame lauke ir (pagal elektromagnetinės indukcijos dėsnį) indukuojama elektros srovė. laidoje, kartodamas garso formą, krentant ant membranos.

Kadangi viela su plastikine atrama yra gana lengva konstrukcija, ji pasirodo labai judri ir labai jautri, o elektromagnetinės indukcijos sukeliama kintamoji įtampa yra reikšminga.

Elektrodinaminiai mikrofonai skirstomi į ritinius (su diafragma magneto žiediniame tarpelyje), juostinius mikrofonus (kuriuose ritės medžiaga yra gofruota aliuminio folija), izodinaminius ir kt.

Klasikinis dinaminis mikrofonas yra patikimas, turi platų amplitudės jautrumo diapazoną garso dažnių diapazone ir yra nebrangus gaminti. Tačiau jis nėra pakankamai jautrus aukštiems dažniams ir blogai reaguoja į staigius garso slėgio pokyčius – tai du pagrindiniai jo trūkumai.

Dinaminis juostelinis mikrofonas skiriasi tuo, kad magnetinį lauką sukuria nuolatinis magnetas su polių detalėmis, tarp kurių yra plona aliuminio juostelė, kuri pakeičia varinę vielą.

Juosta turi didelį elektros laidumą, tačiau indukuota įtampa yra maža, todėl ją reikia pridėti prie grandinės pakopinis transformatorius… Naudingą garso signalą tokioje grandinėje pašalina antrinė transformatoriaus apvija.

Juostelinis dinaminis mikrofonas, skirtingai nei įprastas dinaminis mikrofonas, pasižymi labai vienodu dažnių diapazonu.

Kaip nuolatinio magneto medžiaga, mikrofonuose naudojami kieti magnetiniai lydiniai su didele likutine indukcija (pvz., NdFeB). Korpusas ir žiedas pagaminti iš minkštų magnetinių lydinių (pvz., elektrinio plieno arba permaloido).

Pjezoelektrinis mikrofonas

Naują žodį garso technikoje 1925 m. ištarė rusų mokslininkai Rževkinas ir Jakovlevas. Jie pasiūlė iš esmės naują požiūrį į garso pavertimą srovės virpesiais – pjezoelektrinį mikrofoną. Garso slėgio veiksmas yra veikiamas pjezoelektrinis kristalas.

Garsas veikia membraną, sujungtą su lazdele, kuri savo ruožtu yra pritvirtinta prie pjezoelektrinio. Pjezo kristalas deformuojamas veikiant strypo virpesiams, o jo gnybtuose atsiranda įtampa, pakartojanti krentančio garso formą. Ši įtampa naudojama kaip naudingas signalas.