מיקרופון

מיקרופון הוא מתמר או חיישן הממיר קול לאות חשמלי.
השימוש הנפוץ במיקרופון הוא המרה של גלי קול או צלילים (שהם תנודות של לחץ אוויר) לתנודות של מתח חשמלי - זרם חילופין, שהוא אנלוגי לגלי הקול בסביבת המיקרופון. המיקרופון הוא החוליה הראשונה ואמצעי קלט בכל מכשיר או מתקן המיועד להעביר או לאכסן גלי קול לדוגמה: לשם הקלטה, בטלפון, בקשר רדיו או לשם הזנה (קלט) למחשב של קולות וצלילים.

היסטוריה

ההיסטוריה של פיתוח המיקרופון קשורה לזו של פיתוח הטלפון. לאחר שהיגר בשנת 1850 לסטטן איילנד שבניו יורק בהשראת הפרסום הרב שצבר סמואל מורס על המצאת הטלגרף, פיתח המהנדס האיטלקי אנטוניו מאוצ'י את הגרסאות הראשונות לטלפון האלקטרומגנטי (זאת בשונה מהמצאתו המוקדמת של מערכת העברת קול דרך צינורות אויר). ברשמיו משנת 1857 תיאר את עקרונות הבסיס להעברת קול באמצעות מכשיר אלקטרומגנטי:
(המכשיר) מורכב מסרעפת רוטטת ומגנט שנעשה חשמלי על ידי תיל מפותל המקיף אותו. כאשר הסרעפת רוטטת היא משנה את הזרם של המגנט. שינויי זרם אלה, המועברים לצד השני של הקו, יוצרים תנודות דומות בסרעפת בצד המקבל שמשחזרות את המילים.
משלא יכל לממן את פיתוח המצאתו או רישום פטנט עבורה, ונוכח חוסר המוכנות של משקיעים איטלקים לסייע לו בתקופת חוסר יציבות פוליטית עקב מסעותיו הצבאיים של הגנרל גריבלדי, הגיש מאוצ'י בשנת 1871 רק בקשה ל"הצהרת כוונות" לפטנט, שתוקפה פג לאחר שלוש שנים. עקב כך, מקורות רבים מייחסים את המצאת הטלפון למדען והממציא הסקוטי אלכסנדר גרהאם בל, שרשם פטנט על גרסתו להמצאה ב-1876. עם זאת, שיטת המרת הקול לאותות חשמליים בהמצאתו של בל הייתה שונה מזו של מאוצ'י והתבססה על חיבור סרעפת למחט השרויה במים כך שתנודות הסרעפת הניעו את המחט וזו שינתה את התנגדות המעגל. על פי עקרון זה פעל המכשיר שבו השתמש בהדגמתו הראשונה המפורסמת של העברת קול אדם באמצעות טלפון, אך לאחר מכן עבר בל להשתמש בהתקן אלקטרומגנטי.
בשנת 1854, באותה תקופה שבה מאוצ'י פיתח את המצאתו, פרסם הממציא הצרפתי, יליד בלגיה, שארל בורסל מאמר במגזין L'Illustration שראה אור בפריז, תחת הכותרת "Transmission électrique de la parole" (צרפתית: שידור חשמלי של הדיבור).
בהשראת מאמר זה פיתח, בשנת 1859, המדען והממציא הגרמני היהודי פיליפ רייס מכשיר שמעביר קולות באמצעות חוטי חשמל למרחק של 100 מטר, למכשיר הוא קרא das Telefon (בגרמנית: הטלפון). המכשיר היה מגושם ואיכות השמע לא הייתה טובה בו מאחר שהמיקרופון היה מוציא ניצוצות ואף דרש כוונונים עיתיים.
בשנת 1862 הדגים רייס את פעולת המכשיר בפני מפקח מטעם חיל הטלגרף הפרוסי המלכותי, וזה פרסם דו"ח על ההדגמה. בשנת 1875, עותק מתורגם של דו"ח זה הגיע לידיו של תומאס אדיסון, אשר השתמש בו לפיתוח המיקרופון הפחמי. בחודש מרץ שנת 1877, הגיש אדיסון בקשה לרישום פטנט על המיקרופון הפחמי. בחודש יוני באותה שנה, הגיש הממציא היהודי-אמריקאי, יליד גרמניה, אמיל ברלינר, בקשה לרישום פטנט על אותם עקרונות, אך בית משפט פדרלי פסק בנושא לטובתו של אדיסון בשנת 1892.
כמו כן, הפיזיקאי והממציא האמריקאי עמוס דולבר (Dolbear), טען בפני ביהמ"ש העליון בארצות הברית, במשפט מול חברת הטלפון "בל" בשנת 1888, שעוד בשנת 1865 המציא טלפון מבוסס מגנט קבוע וסרעפת מתכתית, אותו פיתח בשנות לימודיו באוניברסיטת Wesleyan שבאוהיו, אך בהיעדר הוכחות ביהמ"ש פסק כנגדו.
המדען הוולשי דייוויד אדוארד יוז (Hughes) פיתח גרסה משופרת של מיקרופון הפחם של אדיסון, וקבע את המונח "מיקרופון" על פני המונח שהיה נפוץ עד אז, "transmitter" (משדר), כדי להדגיש את יכולתו של המכשיר להעביר גלי קול קטנים במיוחד ("מיקרו" היא תחילית המשמשת לציון גדלים קטנים בלעז).
בשנת 1916, המציא אדוארד כריסטופר וונטה (Wente) ממעבדות בל את המיקרופון הקיבולי (קבלים נקראו במקור "קונדנסרים"). המיקרופון הקיבולי הצריך אספקת מתח קבועה לסרעפת אשר שימשה כאחד הלוחות בקבל כך שתנודות הסרעפת עם גלי הקול יצרו שינויים בקיבול המערכת.
עם פיתוח האלקטרט, חומר דיאלקטרי מקוטב יציב בעל מטען חשמלי סטטי אשר לא מתפוגג עקב יציבותו הכימית של החומר, בשנות ה-20 של המאה ה-20, הוצע החומר לייצור מיקרופונים קיבוליים שאינם מצריכים אספקת מתח, אך השימוש בהם נחשב בלתי ישים עד לפיתוח המיקרופון מבוסס רדיד האלקטרט על ידי ג'רארד ססלר (Sessler) וג'יימס ווסט (West) במעבדות בל בשנת 1962, אשר עשה שימוש ברדיד מתכתי של טפלון (PTFE).
התמרת גלי קול לאותות חשמליים נעשתה גם באמצעות רכיבים אופטיים. הממציא הרוסי לב טרמין (Theremin), שהמציא גם את כלי הנגינה הקרוי על שמו, פיתח עד שנת 1947, מערכת לציטוט וריגול שהתפרסמה לימים השם "בוראן" (Buran, ברוסית "סופה"), שהתבססה על פענוח גלי קול על פי תנודות הזכוכית בחלונות באמצעות קרן אור תת-אדומה (לא קרן לייזר). על עקרונות מערכת זו התבססו בפיתוח מערכות מבוססות לייזר למדידת גלי קול בסוכנויות ביון, וביניהן ה-CIA האמריקאי. בשנת 2009, נרשם בארצות הברית פטנט (מס' 7,580,533), לפענוח גלי קול בתווך אויר פתוח באמצעות ניתוח מעבר קרן לייזר דרך עשן או אדים.

סוגי מיקרופונים

ישנם מספר סוגים עיקריים של מיקרופונים: פחמי, גבישי (קריסטלי), דינמי וקיבולי (קונדנסר). מיקרופונים פחמיים וגבישיים אינם בשימוש כיום. המיקרופונים נבדלים בדרך שבה הם ממירים צליל/קול (תנודות באוויר) לאות חשמלי.

מיקרופון דינמי

המכלול במיקרופון דינמי הוא זהה מכנית לרמקול: סליל שמחובר לדיאפרגמה - (ממברנה דקה, צפידה למחצה המשמשת מעין מפרש לגלי קול). הסליל נמצא בתוך שדה מגנטי של מגנט קבוע. כשגל קול פוגע בממברנה הוא מרעיד אותה, ואיתה את הסליל. כתוצאה מתנועת הסליל בתוך השדה המגנטי מושרה בסליל זרם חשמלי שהוא ייחודי לאותו גל קול.
מכיוון שהממברנה והסליל המחובר אליה הנתון בשדה מגנטי הם כבדים יחסית במיקרופון דינמי, האינרציה שלהם משמעותית, ונדרש שינוי ניכר בלחץ האוויר כדי להזיז את הממברנה (כלומר, הרגישות היא נמוכה יחסית). מסיבה זו נהוג להשתמש במיקרופון דינמי לשימושים בהם יש צורך לקלוט צלילים בעוצמה גבוהה וממרחק קרוב כמו כלי הקשה או קליטה ישירה מול רמקולים של מגברי גיטרות חשמליות. זהו למעשה יתרון של המיקרופון הדינמי המותאם לעבודה עם עוצמה גבוהה של לחץ הקול (Sound pressure level - SPL), מיקרופון קונדנסר לא מתאים לעוצמות חזקות. יתרונות נוספים על פני מיקרופון קונדנסר הם מבנה חזק ופשוט, לא רגיש ללחות באוויר, אמינות גבוהה ומחירו זול יחסית לאיכותו. מיקרופון דינמי רגיש פחות למשבי רוח או לאפקט של רוח מן הפה של הקריין או הזמר לכן זהו מיקרופון המשמש בדרך כלל זמרים בהופעות.
דוגמה למיקרופון דינמי מקצועי הוא מיקרופון SM58 של חברת SHURE שהוצג לראשונה בשנת 1966. זהו מיקרופון קלאסי בקבוצה זו ופופולרי מאוד גם כיום ומשמש בעיקר להגברה והקלטה של זמרים בהופעות או לעבודה כללית בהגברה. אחיו התאום SM57 משמש להגברה והקלטה של כלי הקשה ומגברי גיטרה חשמלית. שני מיקרופוני SM57 משמשים כיום כמיקרופונים של הפודיום הרשמי של נשיא ארצות הברית.

מיקרופון קיבולי (קונדנסר)

מיקרופון קונדנסר מכיל ממברנה דקה עשויה מפילם פלסטי דק מאוד, שצידו האחד מצופה בזהב או בניקל, והיא מורכבת קרוב מאוד ללוחית אחורית קבועה. מתח מקטב מסופק לממברנה על ידי מקור מתח חיצוני (סוללה או ספק כוח), או על ידי המטען של החומר האלקטרוליטי שבממברנה או בלוחית הקבועה.
הממברנה והלוחית האחורית, המופרדות על ידי נפח אוויר קטן, יוצרות קבל (קונדנסר בלעז). גלי הקול מרעידים את הממברנה, ותנועתה משנה את הקיבול. שינוי זה מתורגם על ידי מעגל חשמלי לשינויי מתח. בזמן חיבור, ברוב המקרים, מיקרופון זה ידרוש מתח פנטום (Phantom Power). למיקרופון קונדנסר אמיתי ומקצועי, הענות תדר טובה יותר מאשר למיקרופון דינמי.

ריבון (מיקרופון סרט)

הריבון מכיל ממברנה דקיקה ועדינה בצורת סרט. מיקרופון הריבון עדין מאוד ביחס לעמיתיו, הקונדנסר והמיקרופון הדינמי, והשימוש בו מצריך זהירות יתרה. בעל גוון צליל שקוף לעומת הקונדנסר, ומאופיין בצליל מתקתק.
הריבון היה נפוץ מאוד במהלך שנות ה-60 וה-70, אבל בשנים האחרונות ביצע קאמבק מרשים.

מיקרופון מדונה

מדונה הוא מיקרופון בצורת קשת המתלבש על הראש נאחז באוזן ויורד בצורת קשת לפה האדם. הייעוד של המדונה הוא הגברת קול מנחה, קול מורה או מדריך טיולים ומקל עליו להחזיק במיקרופון.

מיקרופונים אלחוטיים

מיקרופון אלחוטי (ידוע גם כמיקרופון רדיו) הוא מיקרופון ללא כבל פיזי המחברו ישירות למכשיר ההקלטה או לציוד ההגברה. המיקרופון מכיל בתוכו בטריה קטנה, המעניקה כח למשדר שבגוף המקרופון, ותפקידו להעביר אותות אודיו מהמיקרופון באמצעות גלי רדיו ליחידת מקלט סמוך, שבתורה משחזרת את השמע. לרוב, ציוד אודיו נוסף (כמו מערכת ההגברה) מחובר ליחידת המקלט באמצעות כבל פיזי. מיקרופונים אלחוטיים נמצאים בשימוש נרחב בתעשיית הבידור, בשידורי טלוויזיה ובהופעות בפני קהל, ויתרונם העיקרי הוא האפשרות שהם מספקים לשדרנים, בדרנים ומרצים לנוע בחופשיות, תוך שימוש במיקרופון לשם הגברת הקול.
ישנם סטנדרטים שונים, תדרים וטכנולוגיות שידור, המשמשות כדי להחליף את חיבור הכבל הפיזי של המיקרופון ולהפוך אותו למיקרופון אלחוטי. ניתן להעביר את המידע, למשל, באמצעות גלי רדיו בשיטות אפנון דיגיטליות שונות כמו FM, AM. חלק מן המיקרופונים הזולים יותר עושים שימוש באור אינפרא אדום לצורך העברת הקול. מיקרופונים מבוססי קרינה אינפרא אדומה דורשים קו ראייה ישיר בין המיקרופון והמקלט, דבר שלא נדרש במיקרופונים היקרים יותר, העושים שימוש בגלי רדיו.

רגישות המיקרופון

רגישותו של מיקרופון מוגדרת כיחס בין המתח החשמלי שהמיקרופון מפיק לשינוי מסוים בלחץ האוויר שגרם להפקתו של המתח. הרגישות משתנה ממיקרופון למיקרופון ומטכנולוגיה לטכנולוגיה. זהו אחד המאפיינים החשובים של מיקרופון והוא נמדד ומדווח בכל מיקרופון מקצועי. את המדידה נהוג לבצע על ידי השמעת אות בתדירות של 1 קילו הרץ ובעוצמה של 94dBSPL ממרחק 1 מטר ובזווית 0 מעלות למיקרופון. המתח החשמלי במוצא המיקרופון במצב זה נקבע כרגישותו. מיקרופונים דינמיים הם בעלי טווח רגישויות בין 0.5mV עד 5mV.

היענות תדר

היענות התדר (תגובה שונה לתדרים שונים) היא מאפיין חשוב של המיקרופון. להיענות חשיבות רבה כי היא מגדירה את "אופי" המיקרופון ואת "צבע" הצליל. במדידות מדויקות מתייחסים להיענות שאיננה קבועה כעיוות של הקול.
את בדיקת היענות התדר מבצעים בעזרת חיבור מתנד סינוסואידלי לרמקול, שהמיקרופון הנבדק מונח לפניו, ומודדים את מוצא המיקרופון לכל תדירות (בדרך כלל מ-20 הרץ עד 20 קילוהרץ). את התוצאה נהוג להציג כגרף ששני ציריו (התדר ותגובת המתח ביחס לתגובה ב-1 קילוהרץ) לוגריתמיים.