Принципы работы и типы микрофонов
Микрофон представляет собой устройство, преобразующее колебания звукового давления в электрический сигнал. Этот процесс основан на улавливании механических колебаний мембраной, которая связана с чувствительным элементом, преобразующим механическую энергию в электрическую. Основные физические принципы, лежащие в основе работы микрофонов, включают электромагнитную индукцию, пьезоэлектрический эффект, изменение емкости и сопротивления в зависимости от положения мембраны.
Основу конструкции составляет катушка, прикреплённая к мембране и помещённая в магнитное поле постоянного магнита. При колебаниях мембраны катушка движется в магнитном поле, и в ней индуцируется ЭДС согласно закону Фарадея. Особенности:
Наиболее распространены в концертной практике и для записи громких источников звука, таких как ударные или гитарные усилители.
Состоят из двух электродов — подвижной мембраны и неподвижной задней пластины, образующих конденсатор. При воздействии звука расстояние между обкладками меняется, вызывая изменение ёмкости, что преобразуется в электрический сигнал. Для функционирования требуется внешнее питание (обычно фантомное напряжение 48 В).
Характеристики:
Используются в студийной записи, акустических измерениях и в профессиональном радиовещании.
Разновидность конденсаторных микрофонов, в которых одна из обкладок имеет встроенный постоянный заряд (электрет). Это исключает необходимость подачи высокого фантомного питания для формирования заряда.
Преимущества:
Массово применяются в смартфонах, ноутбуках, гарнитурах и портативной технике.
В основе лежит тонкая алюминиевая или иная металлическая лента, подвешенная между полюсами магнита. Колебания воздуха заставляют ленту двигаться в магнитном поле, индуцируя электрический ток. Лента одновременно выполняет роль мембраны и проводника.
Отличительные черты:
Популярны в ретро-записях, джазе и при записи вокала, струнных инструментов.
Работают на основе пьезоэлектрического эффекта, при котором деформация кристаллов (например, кварца) под действием давления генерирует электрический заряд.
Свойства:
Применяются в измерительной технике, медицинской диагностике, а также в качестве контактных микрофонов (например, для гитар).
Равномерно улавливают звук со всех направлений. Подходят для записи атмосферы, хоров, разговоров в помещении. Обладают естественной передачей звучания, но слабой изоляцией от постороннего шума.
Имеют направленность вперёд, подавляя звуки сзади. Универсальны в применении, особенно на сцене и в студии. Уменьшают эффект обратной связи при использовании с акустическими системами.
Более узкая диаграмма направленности с усиленной чувствительностью вперёд и меньшей — по бокам. Часто используются для изоляции отдельного источника в шумной среде, а также в съёмке кино и телевидении.
Улавливают звук спереди и сзади, но игнорируют боковые источники. Применяются для записи интервью, дуэтов, а также в стереотехнике (MS, Blumlein).
Измеряется в милливольтах на паскаль (мВ/Па) и показывает, насколько сильный сигнал создаёт микрофон при заданном уровне звукового давления. Более высокая чувствительность предпочтительна для слабых источников.
Описывает диапазон частот, которые микрофон способен воспроизводить. Идеальный микрофон охватывает диапазон от 20 Гц до 20 кГц, однако реальные устройства варьируются в зависимости от назначения.
Характеризует минимальный уровень звука, который микрофон способен зафиксировать без искажений, обусловленных внутренними шумами схемы. Особенно важен для студийной записи.
Предел громкости, при котором микрофон работает без перегрузки. Критично при записи ударных, духовых инструментов, взрывов и других экстремально громких источников.
Используются преимущественно конденсаторные микрофоны благодаря высокому качеству звука и точной передаче нюансов. Предпочтение отдаётся моделям с низким уровнем шума и широким динамическим диапазоном.
Наиболее популярны динамические микрофоны с кардиоидной направленностью. Они устойчивы к обратной связи, механическим повреждениям и не требуют фантомного питания.
Здесь применяются накамерные микрофоны с узкой диаграммой направленности (например, “пушки”), а также петличные (лавальерные) микрофоны с электретной технологией. Особое внимание уделяется компактности, скрытности и качеству передачи речи.
Используются микрофоны с калиброванным откликом и низким уровнем искажений, например, пьезоэлектрические и специализированные измерительные конденсаторные микрофоны. Важна точность в широком диапазоне частот и температур.
Современные разработки ориентированы на интеграцию с цифровыми системами, улучшение качества в миниатюрных форм-факторах и использование MEMS-технологий (микроэлектромеханических систем). Такие микрофоны сочетают высокую чувствительность, стабильность характеристик, устойчивость к внешним воздействиям и возможность массового производства.
Развиваются адаптивные массивы микрофонов, использующие алгоритмы пространственной фильтрации, что позволяет эффективно отделять полезный сигнал от шума. Это находит применение в смартфонах, конференц-связи, умных колонках и системах активного шумоподавления.