Mikrofonas

Mikrofonas – akustoelektrinis įtaisas, keičiantis garso virpesių energiją garsinio dažnio elektros srove. Mikrofonai dažnai naudojami laidinio ir radijo ryšio, televizijos technikoje, garso įrašymo įrenginiuose.

Mikrofonų istorija

Pirmieji primityviausi mikrofonai tais laikais buvo vadinami siųstuvais. Žymiausias tokio tipo įtaisų kūrėjas buvo Aleksandras Grehemas Belas. Pirmąjį komercinį, praktiškai pritaikomą, mikrofoną 1876 m. spalio mėnesį sukonstravo Tomas Edisonas. Tai buvo anglinis mikrofonas.

Mikrofonų parametrai

Svarbiausi mikrofonų parametrai: jautris, dažnių diapazonas ir dažninės charakteristikos netolygumas tame diapazone, kryptingumo charakteristika.

Jautris

Jautris – tai mikrofono įtampos, kai apkrova vardinė, ir garso slėgio, veikiančio mikrofono jautrųjį elementą, santykis; matuojamas voltais (arba milivoltais) paskaliui (V/Pa arba mV/Pa). Šiuolaikiniuose mikrofonuose jautris gali būti reguliuojamas ir automatiškai. Pigesnių mikrofonų jautris būna prastas, o padidinus tokio mikrofono jautrį iki reikiamo, kartu padidinamas ir triukšmų lygis.

Pagrindine charakteristika

Ji išreiškia mikrofono jautrio priklausomybę nuo garso dažnio mikrofono akustinėje (vadinamojoje darbo) ašyje. Dažninės charakteristikos netolygumas apibūdinamas didžiausio ir mažiausio jautrio santykiu vardiniame dažnių diapazone ir matuojamas decibelais.

Kryptingumo charakteristika

Dar vadinama kryptingumo diagrama yra jautrio, esant tam tikram dažniui, priklausomybė (polinėje koordinačių sistemoje) nuo kampo tarp mikrofono akustinės (darbo) ašies ir pasiekiančio mikrofoną garso krypties. Ši charakteristika priklauso nuo mikrofono garso ėmiklio konstrukcijos. Mikrofonai, kuriuose garso banga gali paveikti tik vieną judamosios sistemos (diafragmos) pusę, nepasižymi ryškiu kryptingumu, ir jų kryptingumo charakteristika, ypač žemesniųjų dažnių srityje, yra apskritiminė. Mikrofonai, kurių diafragmos į abi pusės (ir priekinė, ir galinė) atviros, reaguoja į garso slėgių abipus diafragmos skirtumą. Jų kryptingumo diagrama būna aštuoneto formos Bi – kardioidė. Kai reikalingas ryškus kryptingumas, naudojami kombinuotieji mikrofonai, sudaryti iš dviejų (kryptingo ir nekryptingo). Kombinuotaisiais mikrofonais gaunama vienos krypties diagrama – kardioidės ar superkardioidės formos. Tokiais mikrofonais galima išskirti naudingąjį signalą net kai yra nemažas aplinkos triukšmų lygis.

Mikrofonų tipai

Pagal veikimo principą mikrofonai skirstomi į elektrodinaminius (ritinius ir juostinius), elektrostatinius (kondensatorinius), pjezoelektrinius (kristalinius), elektromagnetinius ir anglinius. Elektrodinaminiai ir elektrostatiniai mikrofonai dažniausiai naudojami televizijos, įrašų studijų, aukštos kokybės garso stiprinimo įrenginiuose, o elektromagnetiniai, pjezoelektriniai ir angliniai – paprasčiausiuose garso stiprinimo įtaisuose (telefonuose, magnetolose ir pan.).

Elektrodinaminiai ritiniai mikrofonai

Jų judamoji diafragma sujungta su garsine rite, kuri įmontuota mikrofono magnetinės sistemos tarpe. Diafragma, veikiama aplinkos garso virpesių, drauge su garsine rite virpa išilgai mikrofono darbo ašies. Dėl ritės laidininkų sąveikos su strypo arba žiedinio magneto magnetiniu lauku ritės išvaduose susikuria garsinio dažnio EVJ.
Ritinių mikrofonų diafragma gaminama iš standžios medžiagos (plonos plastmasės, specialaus popieriaus, padengto laku). Plokščiasis diafragmos kraštas tampriu gofruotu antdėklu pritvirtintas prie mikrofono korpuso arba magnetinės sistemos. Gofruotas antdėklas turi būti tamprus, kad diafragma su garsine rite galėtų virpėti. Garsinė ritė suvyniota iš izoliuoto varinio arba aliuminio laido, kurio skersmuo 0,03 – 0,05 mm. Žiediniai (cilindriniai) arba strypiniai magnetai gaminami iš plieno ir vario, nikelio, titano lydinių, pasižyminčių stipriu koerciniu lauku, o magnetolaidžio šerdis gaminama iš minkšto plieno, kurio magnetinė varža nedidelė.
Kai kurių mikrofonų korpusuose arba stovuose įtaisomi išėjimo transformatoriai, reikalingi suderinti su apkrova, ypač kai mikrofonas jungiamas prie stiprintuvo, kurio didelė įėjimo varža.

Elektrodinaminiai juostiniai mikrofonai

Vietoj garsinės ritės turi ploną (apie 2 μm) gofruotą metalinę juostą, kuri juda magnetinio lauko veikiama. Diafragmos tokiuose mikrofonuose nėra, o magnetinis tarpas ne žiedinis, o tiesus. Juostoje susikuria kintamoji EVJ, kuri patenka į mikrofono transformatoriaus pirminę apviją. Juostos varža būna nedidelė, todėl juostinių mikrofonų išėjime naudojamas aukštinimo transformatorius. Tokiems mikrofonams būdingas natūralus ir švelnus garsas, ir jie dažnai naudojami studijose ir koncertų salėse, nors ir nėra patikimi.

Kondensatoriniai mikrofonai

Jie turi plokščiąjį kondensatorių (garso priėmimo kapsulę), kurio vienas elektrodas (membrana) – judamasis. Veikiamo garso virpesių kondensatoriaus talpa kinta. Prie kondensatorinio mikrofono elektrodų prijungiama nuolatinė įtampa, kad būtų galima kondensatoriaus talpos kitimą paversti kintamąja garsinio dažnio srove. Garso priėmimo kapsulės vienas (judamasis) elektrodas yra iš metalinės folijos arba ir plonos metalizuotos polimerinės plėvelės. Kitas kapsulės elektrodas – masyvi metalinė plokštelė (bazė). Atstumas tarp elektrodų 20 – 40 2 μm. Pastaruoju metu bazė gaminama iš įvairiausių medžiagų su metalizuotu paviršiumi, atgręžtu į membraną. bazėje po membrana yra skylės; nuo jų priklauso membranos slopinimas, taigi ir kapsulės dažninė charakteristika.
Į maitinimo grandinę nuosekliai su mikrofonu jungiamas apkrovos rezistorius. Veikiamos garso virpesių kapsulės kondensatoriaus talpa sumažėja, t. y. jo elektroduose sumažėja krūvių, ir atvirkščiai, – talpai padidėjus, krūvių padaugėja. Krūviams kintant, grandinėje teka kintamoji srovė, o apkrovos rezistoriuje atsiranda kintamoji įtampa, kuri toliau paduodama į mikrofono stiprintuvo įėjimą. Mikrofono kapsulės talpa lygi nuo keleto iki kelių dešimčių pikofaradų, o darbo dažnių diapazonas nuo 20 – 30 Hz iki 20 – 50 kHz. Bazėje esančios skylės netrukdo patekti garso bangoms iš abiejų membranos pusių, todėl mikrofonas priima garso bangas kryptingai.
Kondensatoriniai mikrofonai jautrūs, jautrio dažninė charakteristika tolygi, platus darbo dažnių diapazonas. Tačiau reikalingas papildomas gana aukštos įtampos šaltinis (daugeliui mikrofonų 48 V).

Elektretiniai mikrofonai

Šie mikrofonai veikia be poliarizacijos įtampos. Vienas tokio mikrofono elektrodas padengiamas elektretu su pastoviu elektros krūviu, kuris sukuria lauką, atitinkantį iki 100 V poliarizacijos įtampą. Krūvis išlieka apie 30 metų. Elektretiniai mikrofonai pigesni už paprastus kondensatorinius ir gali būti plačiai naudojami buitiniuose magnetofonuose. Pagal konstrukciją kondensatoriniai mikrofonai gali būti nekryptiniai, vienos krypties ir dviejų krypčių.

Garsiakalbis vietoje mikrofono

Garsiakalbis pakeičia kintamosios srovės energiją garso bangų energija. Dėka to, kad įprastinių garsiakalbių konstrukcija yra labai panaši į dinaminių mikrofonų konstrukciją, juos galima panaudoti kaip mikrofonus. Tačiau tokiu atveju gaunama dažninė charakteristika, jautris ir garso atkūrimo kokybė yra itin prasti.