Mikrofon

Mikrofon (kreeka k mikros ’väike’ + phone ’heli, hääl’) on side- ja helitehnikas kasutatav elektroakustikaseade, mis muundab helirõhu võnkumised elektripinge muutusteks. Vees levivate helilainete elektroakustilist muundurit nimetatakse hüdrofoniks. Elektromehaanilise muunduri tööpõhimõtte järgi jagunevad tänapäeval laialdaselt kasutatavad mikrofonid elektrodünaamilisteks ja elektrostaatilisteks, viimase alaliigid on kondensaatormikrofon ja elektreetmikrofon. Eriotstarbel kasutatakse piesoelektrilisi (kristall-) mikrofone ja elektromagnetilise muunduriga mikrofone. Häälevõngete elektrisignaaliks muutmise katseid hakati tegema juba 19. sajandi keskel. Esimese telefonitehnikas kasutamist leidnud mikrofonitüübi valmistas D. E. Hughes 1878. aastal. See oli süsimikrofon, milles kasutati vooluahelasse ühendatud söetüki elektritakistuse muutumist metallmembraani poolt avaldatava surve mõjul. Täiustatud kujul, nn söepulbermikrofonina oli see ka raadio stuudiomikrofonina kasutusel kuni 1930. aastateni. Elektrostaatiline ehk kondensaatormikrofon töötati välja USA Bell Labsis 1920. aastail, võnkepooliga elektrodünaamiline mikrofon patenteeriti 1931. aastal. Mõlema mikrofonitüübi talitluspõhimõte leiab rakendust tänaseni. Piesoefektil põhinev kristallmikrofon oli odavuse ja kõrge väljundpinge tõttu levinud kuni 1960. aastateni, eriti magnetofoni signaaliallikana. Elektrodünaamilise ehk lühemalt dünaamilise mikrofoni membraani küljes olev võnkepool asub püsimagneti magnetahela rõngakujulises õhupilus. Kui membraan hakkab helirõhu muutuse mõjul võnkuma, lõikavad võnkepooli mähise keerud magnetvälja jõujooni ja neis indutseerub elektripinge, mis on võrdeline membraani liikumise kiirusega. Dünaamilised mikrofonid on suhteliselt odava hinna ja rahuldava helikvaliteedi juures mehaaniliselt küllalt tugevad ning taluvad moonutusvabalt kõrget helirõhku. Elektromehaanilise muunduri vähese tundlikkuse tõttu vajab signaalipinge suurt võimendust. Elektrostaatiliste mikrofonide tüüpiline esindaja on kondensaatormikrofon, mis muundab helirõhu muutuse elektrimahtuvuse muutuseks. Füüsikaliselt moodustavad kondensaatori kaks plaati: üheks plaadiks on siin metallitatud membraan, mis asetseb teisest, paigalseisvast plaadist ainult paarikümne mikromeetri kaugusel. Kuna membraan on väga kerge, järgib ta täpselt helirõhu muutusi kuni kõrgeimate helisagedusteni. Membraani võnkumisel muutub kondensaatori mahtuvus helirõhu muutuste taktis. Plaadid on ühendatud mikrofonivõimendi sisendahelasse järjestikku polariseerimispinge allikaga. See elektriahel teisendab mahtuvuse ja sellele vastava elektrilaengu muutused vahelduvaks elektripingeks. Pingevõimendi koos toitepatareiga paikneb mikrofoni korpuses. Paiksetes helivõimendusseadmetes antakse toitepinge mikrofonile signaalijuhtmeid mööda fantoomtoitena (vt allpool). Kondensaatormikrofonidel on avar sagedusala ja ühtlane sageduskäik, nii et nad järgivad võrdlemisi täpselt ka kõrgeid toone ja impulsshelisid. Samuti on nad dünaamilistest mikrofonidest suurusjärgu võrra tundlikumad, reageerides ka nõrgale signaalile ja eemal asuvale heliallikale. Elektreetmikrofon on kondensaatormikrofoni erikuju ning ka elektroakustiliste omaduste poolest sellele lähedane. Elektreet on püsimagneti elektriline analoog. Ta saadakse dielektriku (nt fluorplasti) elektriseerimisel kõrgel pingel ja temperatuuril. Õhuniiskusel alla 90% ja toatemperatuuril püsib selline materjal elektriseerituna aastakümneid. Elektreediga on kaetud üks kondensaatori plaatidest. Elektreedi laengust põhjustatud potentsiaalide vahe plaatidel asendab harilikus elektrostaatilises mikrofonis kondensaatorile rakendatavat polariseerimispinget. Siiski vajab elektreetmikrofon sisemist võimendit, mis ühtlasi alandab suure väljundtakistuse paari kilo-oomini. Elektreetmikrofonid on kondensaatormikrofonidest odavamad, mehaaniliselt tugevad ja kompaktsed (kapsli läbimõõt mõnest millimeetrist mõne sentimeetrini). Neid kasutatakse laialt kõnesideseadmeis (mobiiltelefonid, peakomplektid, kuuldeaparaadid), ka nt vestluste edastamisel klambermikrofonina (Lavalier’ mikrofon, clip-on mic). Mõõduka helitaseme korral on mittelineaarmoonutus väike ja sageduskäik hea (kvaliteetsetel mudelitel 20 Hz kuni 20 kHz, ±3 dB).  Pikemalt artiklis Raadiomikrofon Juhtmeta (ühenduskaablita) mikrofonisüsteemis edastatakse signaal raadio teel UHF-sagedustel (sadades megahertsides), sidekaugus kuni 250 m. Saatja võib olla mikrofoniga kokku ehitatud. Ka mikrofoni ja vööle kinnitatava eraldi saatja vahel võib olla raadioside. Kindla ühenduse tagab aktiivantenni(de)ga vastuvõtja; selle väljundist saadakse mikserpuldi liinisisendi tasemel pingega audiosignaal. Tundlikkus on mikrofoni väljundpinge (millivoltides) ja tema membraanile telje sihis mõjuva helirõhu (paskalites) jagatis. Mõõdetakse kajata ruumis koormuseta (tühijooksu-) režiimis signaali sagedusel 1 kHz ja helirõhul 1 Pa (vastavalt helirõhu tasemel 94 dB). Tundlikkus on dünaamilisel mikrofonil enamasti 0,5–1,0 mV/Pa ja kondensaatormikrofonil 10–30 mV/Pa. Tundlikkus sõltub ka mikrofoni mõõtmetest: näiteks elektreetmikrofoni väikestel, 1/4-tollistel kapslitel on see 5–10 mV/Pa, 1/2-tollistel 30–50 mV/Pa ja 1-tollistel kuni 100 mV/Pa. Talitlussagedusala on helisageduspiirkond, mille ulatuses sageduskäigu ebaühtlus ei ületa tootja antud väärtust (nt 6 või 12 dB). Sagedusala piirid on dünaamilistel mikrofonidel keskmiselt 50 – 16 000 Hz ja kondensaatormikrofonidel 40 – 18 000 Hz, stuudiomikrofonidel ka 20 – 20 000 Hz. Mürataset määratletakse ekvivalentse helirõhuna, mis põhjustab mikrofoni väljundis niisama suure pinge kui mikrofoni omamüra kasuliku signaali puudumisel. Mürataset väljendatakse detsibellides kuuldelävele vastava helirõhu suhtes, kusjuures müramõõturis kasutatakse filtrit vastavalt standardile IEC 651 (koos A-ribafiltriga, mis arvestab kõrva sagedustundlikkust, vt Helivaljus). Parematel mikrofonidel jääb müratase vahemikku 10–20 dB (A). Signaali-mürasuhe on vastavalt 84–74 dB (A). Suunadiagramm väljendab polaarkoordinaadistikus tundlikkuse sõltuvust nurgast mikrofoni telje esisuuna ja heliallikat mikrofoni keskmega ühendava sirge vahel. Suunadiagrammi kuju määrab see, kas mikrofoni elektromehaaniline muundur on tundlik ainult helirõhule või selle esi- ja tagaküljele mõjuvate helirõhkude erinevusele – helirõhu gradiendile. Ainult helirõhule tundliku mikrofoni tundlikkus ei sõltu madalatel sagedustel helilaine saabumise suunast ja suunadiagramm on ringikujuline ( salvestab hästi ka ruumikõla). Helirõhu gradiendile tundlike mikrofonide suunadiagramm võib sõltuvalt muunduri esi- ja tagaküljele mõjuvate helirõhkude vahekorrast olla kardioidikujulisest (ühesuunamikrofonil), mis võtab vastu põhiliselt eest ja külgedelt saabuvat heli, kuni kaheksakujuliseni (kahesuunamikrofonil). Poolringikujuline suunatunnusjoon on kontaktimikrofonil (lühend PZM, pressure zone microphone). See on spetsiaalne lameda tugipinnaga kondensaator- või elektreetmikrofon paigutamiseks seinale või põrandale, et vähendada peegelduvate helilainete mõju. Ettepoole väljavenitatud kaheksakujuline suunatunnusjoon on suundmikrofonil. Selline suunatunnusjoon on helirõhu gradiendile tundlikul mikrofonil, mille esiosas on külgpiludega interferentstoru. Suunatoime hakkab eriti avalduma alates sagedusest 1–2 kHz. Stereomikrofonis võib olla süsteem XY – kaks kardioidkapslit 90–180-kraadise nurga all; MS – üks kapsel ring- või kardioiddiagrammiga, mis võtab vastu eest saabuvat heli, ja teine kaheksakujulise suunadiagrammiga külgedelt saabuva heli jaoks. Mikrofon on sümmeetrilise signaali allikas, mida on võimalik salvestusseadme ja võimendiga ühendada sümmeetrilise või ka ebasümmeetrilise skeemi järgi. Ebasümmeetrilise ühenduse korral juhib signaali ühesooneline kaabel, milles signaali tagasijuhtmeks on kaablivarje. Sümmeetrilisel kaablil on kaks signaalisoont, nii et mõlemad signaalikandjad on varje suhtes samaväärsed. Kaablisoontesse kanduvad siis ühesuurused häirepinged, mis võimendi diferentssisendis kompenseeruvad. Sümmeetriline kaabel võib olla küllaltki pikk, ilma et oleks karta kõrgete helisageduste sumbumist või häirete, eriti võrgumüra sissetungimist. Kuigi sümmeetrilise kaabli soonte kaudu antakse edasi vahelduvvoolusignaali, võivad kontaktide juures olla tähised pluss (+, ka IN-PHASE või HOT ’kuum’) ja miinus (–, OUT-OF-PHASE, COLD ’külm’). Vaadeldaval juhul tähistavad need märgid signaalipinge faasiolekut (samalaadselt kui valjuhääldi ja kõlari klemmide juures). Faasipolaarsuse tähiseid tuleb arvestada stereomikrofoni kanalite õigeks edastamiseks ja kahe või enama mikrofoni õigeks faseerimiseks. Ühe mikrofoni vale faseerituse korral on selle signaal faasilt 180° pööratud, s.t tema väljundsignaal vastandfaasiline, mille tagajärjel nõrgenevad eriti madalad toonid. Mikrofonikaablil on tavaliselt Ø 3,5 mm pulkpistik, peamiselt stuudiomikrofonidel aga XLR-pistik. Kondensaator- ja elektreetmikrofon saab vajaliku toitepinge patareist või seadmest, mille külge ta on ühendatud. Kasutatakse nn fantoomtoiteskeemi, mispuhul alalispinge pluss on mõlemal signaalisoonel ja miinus varjel. Seega puudub mikrofoni signaalisoonte vahel alalispinge. Mikrofon tuleb valida ühe kvaliteediklassi võrra parem trakti ülejäänud aparatuurist või sellega vähemalt ühest klassist. Mikrofoni koormustakistus peab olema vähemalt 5 korda suurem kui mikrofoni sisetakistus (impedants sagedusel 1 kHz). Levinuimad sisetakistuse väärtused on 200 Ω ja 600 Ω ning vastavalt vajaliku koormustakistuse tüüpilised väärtused 1 ja 4,7 kΩ. Kui mikrofonivõimendi sisendtakistus on väiksem, alaneb mikrofoni tundlikkus ja võib aheneda ka sagedusala. Mikrofoni ühendusjuhtme pikendamisel halveneb kõrgete sageduste edastus seda enam, mida suurem on mikrofoni väljundtakistus. Mikrofoni väljundpinge väheneb 3 dB võrra sagedusel, millel ühendusjuhtme mahtuvustakistus on võrdne koormustakistusega. Sellest, nn lõikesagedusest kõrgemal sagedusel väheneb võimendi sisendpinge 6 dB oktavi kohta. Pika ühendusliini korral tuleb selle otstesse ühendada sobitustrafod. Need peavad olema väikese puistega ja hästi varjestatud. Mikrofonidele on ohtlik vibratsioon, raputused ja põrutused. Mikrofoni proovimiseks ei tohi sellesse puhuda; piisab kergest koputamisest (nt pliiatsiga) vastu mikrofoni kesta. Välistingimustes tuleb mikrofoni kaitsta tuulevarjega. Kondensaator- ja elektreetmikrofonid on eriti tundlikud suure õhuniiskuse suhtes. Seepärast pole neid soovitatav kasutada väljas. Elektreetmikrofonile on ohtlik ka kõrge temperatuur (üle 50 °C). Lembit Abo. Koduelektroonika käsiraamat. Tallinn, Valgus, 2007 Elektromehaanilised muundurid Microphones