МИКРОФОН

МИКРОФОН

       

(от греч. mikros — малый и phone — звук), приёмник звука для возд. среды. М. явл. электроакустическим преобразователем и применяется в телефонии, радиовещании, телевидении, системах звукоусиления и звукозаписи. Простейший М.— угольный, используемый в телефонной трубке. Его диафрагма, воспринимающая звук. давление, колеблется, изменяя степень уплотнения и, следовательно, электрич. сопротивление находящегося в капсуле и прилегающего к диафрагме угольного порошка. В результате возникают изменения тока, протекающего через М. Угольные М. несовершенны: подвержены перегрузке, создают искажения, нестабильны. Применяются в осн. в телефонной связи.

В электродинамич. М. катушечного типа (рис. 1) с диафрагмой D связана катушка K', расположенная в кольцевом зазоре сильного магнита NS. При колебаниях диафрагмы под действием звук. волны, согласно электромагнитной индукции в катушке наводится эдс, создающая перем. напряжение на её зажимах. Такой М. имеет небольшие габариты, обладает равномерной частотной хар-кой и надёжен в эксплуатации. В электродинамич. М. ленточного типа вместо катушки в магн. поле располагается очень тонкая (= 2 мкм) гофрированная металлич. ленточка, на к-рую действует звук. давление. Он конструктивно прост, имеет хорошую частотную хар-ку. Электродинамич. М. применяются в системах звукозаписи и звукопередачи.

Рис. 1. Схема устройства микрофона с подвижной катушкой.

В конденсаторном М. подвижная мембрана М (рис. 2) явл. обкладкой конденсатора.

Рис. 2. Схема конденсаторного микрофона.

Под действием звук. давления р меняется расстояние d между ней и неподвижным массивным электродом С и, следовательно, меняется электрич. ёмкость конденсатора. Если к мембране М и электроду С приложено пост. напряжение Е, то изменение ёмкости вызывает появление тока в цепи конденсатора, сила к-рого изменяется в соответствии со звук. колебаниями. Такой М. имеет малые размеры, равномерную частотную хар-ку и применяется как измерительный М., а также в высококачеств. системах звукозаписи и звукопередачи. Электретный М. по принципу действия и конструкции схож с конденсаторным; роль неподвижной обкладки конденсатора и источника пост. напряжения играет пластина из электрета.

В пьезоэлектрич. М. звук. волны воздействуют на пластинку из пьезоэлектрика, напр. из сегнетовой соли или пьезокерамики, вызывая на её металлич. обкладках электрич. напряжения (см. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСТВО). В эл.-магн. М. приёмным элементом звук. колебаний служит диафрагма, жёстко связанная со стальным якорем, поверх к-рого намотана неподвижная катушка из провода. При колебаниях якоря в зазоре пост. магнита на выводах катушки появляется эдс. Пьезоэлектрические и эл.-магнитные М. применяются гл. обр. в слуховых аппаратах.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

МИКРОФОН

(от греч. mikros - малый и phone-звук) - приёмник звука, представляющий собой электроакустический преобразователь, предназначенный для преобразования звуковых колебаний в воздушной среде в электрич. сигналы. В комплект M., как правило, входят помимо собственно преобразователя и другие необходимые для его практич. применения элементы: согласующие трансформаторы, предварит, усилители и др.

M., как всякий приёмник звука, характеризуется чувствительностью, диапазоном воспроизводимых частот (т. е. частотной характеристикой чувствительности), направленностью, динамич. диапазоном. Верхней границей последнего является т. н. предельный уровень звукового давления, при к-ром коэф. гармонич. искажений сигнала на выходе M. достигает 0,5-1%; ниж. граница динамич. диапазона, т. н. эквивалентный уровень звукового давления, представляет собой уровень звукового давления, при к-ром на выходе M. обеспечивается напряжение, равное напряжению шума, обусловленного собств. молекулярными шумами преобразователя, тепловыми шумами резистивных элементов, шумами предварит, усилителя и т. п. Практически во всех преобразователях M. имеется подвижный элемент (диафрагма, мембрана), способный колебаться под воздействием звукового давления н осуществляющий т. о. акусто-механич. преобразование.

В зависимости от того, каким образом формируется результирующая сила F, воздействующая на подвижную систему, все M. подразделяются на приёмники давления, градиента давления и комбиниров. приёмники. В приёмниках давления звуковое поле действует на подвижную систему с одной стороны; результирующая сила F в этом случае не зависит от направления прихода звуковой волны и M., при условии, что его размеры малы по сравнению с длиной волны, не обладает направленностью.

У градиентных приёмников подвижная система подвергается с обеих сторон воздействию звукового поля и результирующая сила определяется разностью звуковых давлений на двух акустич. входах системы, находящихся на расстоянии d друг от друга: , где - угол падения звуковой волны относительно акустич. оси преобразователя. Ha-правленность такого приёмника описывается ф-цией cosQ, причём макс, выходной сигнал имеет место при осевом падении звуковой волны, т. е. при и , а при выходной сигнал равен нулю.

Объединив приёмник градиента давления с приёмником давления либо электрически, либо путём построения соответствующей механо-акустич. системы, получают комбиниров. приёмник, позволяющий реализовать в зависимости от соотношения чувствитель-ностей исходных приёмников разнообразные диаграммы направленности. Чаще всего используются комбиниров. приёмники с диаграммами направленности в виде кардиоиды, суперкардиоиды и гиперкардиоиды. Для создания остронаправленных M. применяют акустич. зеркала или конструкции типа акустич. антенны бегущей волны.

По энергетич. характеристикам все M. можно разделить на две группы: M., энергия выходного сигнала к-рых обеспечивается источником питания, и M., энергия выходного сигнала к-рых обусловлена лишь преобразованием энергии звукового поля.

M., относящиеся к первой группе, являются необратимыми преобразователями; их достоинство - большая мощность выходного сигнала, позволяющая обходиться в ряде случаев без дополнит, усилителей. Типичным представителем M. первой группы служит угольный M., используемый в телефонии. Принцип его действия основан на зависимости электрич. сопротивления между частицами угольного порошка от давления, с к-рым действует на порошок диафрагма M., колеблющаяся под воздействием звукового поля. В такт с колебаниями диафрагмы изменяется ток в цепи M., подключённого к источнику питания. Выходной переменный сигнал может быть выделен с помощью трансформатора, первичная обмотка к-рого включена в цепь M. Угольные M. выполняются лишь как приёмники давления. Диапазон воспроизводимых угольными M. частот невелик - от сотен Гц до неск. кГц, однако он достаточен для обеспечения разборчивости речи. Чувствительность их составляет 200-400 мВ/Па при токе питания 10-100 мА, динамич. диапазон не превышает 30 дБ. Коэф. гармонич. искажений может достигать 10-20%.

M. второй группы могут иметь значительно более высокие эл.-акустич. параметры. По принципам механо-электрич. преобразования они подразделяются на эл.-динамические, эл.-статические и пьезоэлектрические. Наиб, широкое применение в звукотехнике нашли эл.-динамич. M.- катушечные и ленточные. У катушечного эл.-динамич. M. (рис. 1) пост, магнит 1 создаёт в кольцевом зазоре 2 радиальное магн. поле, в к-ром находится звуковая катушка 3 с лёгкой диафрагмой 4 (подвижная система), закреплённой на магн. системе с помощью гофриров. воротника 5. При колебаниях диафрагмы под действием звуковых волн меняется магн. поток, пронизывающий катушку, и на её зажимах индуцируется эдс.

Эл.-динамич. катушечные M. выпускаются в осн. как приёмники давления и комбиниров. приёмники. Их частотный диапазон охватывает область от 20 Гц до 20 кГц, чувствительность составляет 1-3 мВ/Па. Благодаря высоким эл.-акустич. параметрам, простоте конструкции и надёжности в эксплуатации катушечные эл.-динамич. M. применяются в бытовой технике, системах звукоусиления и профессиональной звукозаписи.

Более ограниченное применение находят ленточные M., у к-рых подвижной системой служит тонкая ленточка из гофриров. металлич. фольги, закреплённая между полюсами пост, магнита и являющаяся одновременно подвижным проводником. В связи с малой длиной ленточки чувствительность M. составляет всего 10- 20 мкВ/Па; для её повышения приходится предусматривать встроенный повышающий трансформатор, увеличивающий размеры и массу ленточного M. Ленточные M. чаще всего выполняются как градиентные приёмники. Они отличаются гладкими частотными характеристиками чувствительности во всём слышимом диапазоне частот.

Сред 1Р используемых M. наиб, высокими эл.-акустич. параметрами обладают конденсаторные M., построенные на базе эл.-статич. преобразователей (рис. 2). Подвижная система такого преобразователя представляет собой тонкую мембрану 1, являющуюся одноврем. одной из обкладок плоского конденсатора. Второй обкладкой конденсатора служит массивный неподвижный электрод 2 с отверстиями, к-рые делаются в нём для обеспечения необходимых диссипативных свойств воздушного зазора между электродами. С помощью· источника пост, напряжения U₀ в рабочем зазоре конденсатора создаётся электрич. поле. При колебаниях мембраны под воздействием звуковых волн ёмкость конденсатора меняется и через сопротивление нагрузки R протекает раз-рядно-зарядный ток г, создающий на сопротивлении Л напряжение сигнала U , повторяющего по форме акустич. сигнал. Если мембрана преобразователя выполняется из электретного материала или такой материал наносится на неподвижный электрод, то необходимость в источнике поляризующего напряжения исключается, поскольку электрет создаёт в зазоре преобразователя требуемую напряжённость поля.

Конденсаторные M. выполняются как приёмники давления, градиента давления и комбиниров. приёмники. Благодаря ничтожной массе мембраны, к-рая изготовляется из металлич. фольги или металлизиров. полимерных плёнок толщиной 3 -10 мкм, частотный диапазон конденсаторных M. часто простирается от единиц Гц до 150 кГц и выше. Чувствительность их в области звуковых частот составляет ~10 мВ/Па; динамич. диапазон собственно преобразователей конденсаторных M. достигает 130-140 дБ. Из-за высокого внутр. сопротивления эл.-статич. преобразователи нельзя непосредственно подключать к длинной линии. Предварит, усилитель с большим входным сопротивлением должен располагаться непосредственно в корпусе M.

Конденсаторные M. являются осн. видом измерит, звукоприёмников для воздушной среды; они находят широкое применение и в звукотехнике. В лаб. практике, а также в дешёвых системах оповещения используются пьезоэлектрич. M., в основе к-рых находится пьезоэлектрический преобразователь с пьезоэлементом либо биморфного типа, совершающим изгибные колебания под действием звукового давления, либо в виде пьезокерамич. сферы или цилиндра. Пьезоэлектрич. измерит. M. выполняют в виде приёмников давления, градиентных и комбинированных. Весьма перспективными как для измерит, целей, так и для звукотехники представляются пьезоэлектрич. M. на основе пьезо-полимерных преобразователей, отличающиеся малым весом и (потенциально) широким частотным диапазоном.

Лит.: Фурдуев В. В., Акустические основы вещания, M., 1960; Римский-Корсаков А. В., Электроакустика, M., 1973; Lеrсh R., EIectroacoustical properties of piezopolymer microphones, "J. Opt. Soc. Amer.", 1981, v. 69, № 6, p. 1809; Колесников A. E., Акустические измерения, Л., 1983. B. M. Горелик.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.