Mikrofón

Mikrofón je zariadenie pre premenu akustického signálu na signál elektrický. Prvý mikrofón vynašiel tvorca gramofónu Emile Berliner 4. marca 1877.

Dynamický mikrofón 

Membrána mikrofónu sa pohybuje v závislosti na akustickom tlaku. Toto zároveň spôsobuje aj pohyb cievky, ktorá je spojená s membránou. V cievke, ktorá sa takto pohybuje v magnetickom poli, sa vytvára elektrický signál. Výstupné napätie sa mení v závislosti na pohybe membrány a cievky. U tohto mikrofónu pohybuje membrána cievkou v magnetickom poli permanentného magnetu, čím sa vytvára striedavé napätie respektíve prúd (ide o opačný proces ako sa odohráva v klasických reproduktoroch). Dynamické mikrofóny sú menej citlivé ako kondenzátorové mikrofóny, lepšie preto spracúvajú hlasitý spev pri živých vystúpeniach atď. Nevyžadujú napájanie a sú veľmi odolné voči mechanickému poškodeniu. (Príkladom žijúcej legendy je napríklad mikrofón Shure SM58, ktorý sa veľmi často používa pri verejných vystúpeniach). Smerová charakteristika je srdcová.

Páskový mikrofón 

Tento mikrofón pracuje na rovnakom princípe ako dynamický mikrofón. Rozdiel je v tom, že membrána je nahradená tenkým alumíniovým pásikom, ktorý sa v závislosti na akustickom tlaku pohybuje v magnetickom poli. Dynamický mikrofón páskový (tzv. Ribbon). Tu je „membránou“ zvlnený pásik z veľmi tenkej hliníkovej fólie(opäť niekoľko mikrónov), umiestnený v permanentnom poli magnetov. Na prevod z veľmi malej impedancie sa používa transformátor, ktorý je kľúčovou zložkou týchto mikrofónov, podobne ako sila magnetov (dnes väčšinou neodýmové) a kvalita napnutia a zvlnenia hliníkovej fólie. Konštrukcia je jednoduchá ale je veľmi citlivý na mechanické poškodenie a nemôže sa skladovať blízko magneticky citlivých médií, pretože môže dôjsť k ich zmagnetizovaniu. Dnes prežívajú páskové mikrofóny „comeback“, napriek veľmi nízkej citlivosti, a frekvenčnému rozsahu do približne 15 kHz. Ich veľkým kladom je príjemný „teplý zvuk“. Dlhodobo sa takéto mikróny musia skladovať v zvislej polohe. Špecifické sú osmičkovou charakteristikou.

Kondenzátorový mikrofón 

Tento druh mikrofónu obsahuje dve tenké kovové doštičky, ktoré navzájom tvoria kondenzátor. Napájací obvod vytvára v kondenzátore elektrický náboj. Jedna z týchto doštičiek je pevne uchytená a druhá je pohyblivá a má funkciu akustickej membrány. Vzájomné približovanie a odďaľovanie týchto doštičiek spôsobuje zmenu kapacity a tým aj zmenu výstupného napätia. Hrúbka membrány je niekoľko mikrónov a je na nej nanesená vrstva vzácneho kovu, najčastejšie zlata, podobnou metódou ako sa vyrábajú tranzistory. Zmena kapacity sa premieňa na elektrický signál buď pomocou napájania z mäkkého zdroja alebo predzosilňovača s veľmi veľkou vstupnou impednaciou (na toto sú veľmi vhodné elektrónky, ktoré sa používali v prvých mikrofónoch. Dnes je jednoduchšie riešiť taký mikrofón pomocou integrovaného obvodu, resp, tranzistorov). Niekedy je mikrofón súčasť oscilátora rozlaďovaného zmenou kapacity a v nasledujúcich obvodoch je zmena demodulovaná na nízkofrekvenčný signál. Je nutné aby vzdialenosť medzi membránou a predzosilňovačom bola čo najmenšia. Priemer membrány je zvyčajne jeden palec (čiže ). Kondenzátorové mikrofóny vyžadujú napájanie. Pri vhodnej konštrukcii mikrofónnovej vložky je možné polarizačným napätím meniť smerovú charakteristiku mikrofónu, čo sa využíva pri štúdiových mikrofónoch. Kondenzátorové mikrofóny sa používajú hlavne pre profesionálny štúdiový záznam a na účely merania. Pri živých vystúpeniach sa dnes používajú hlavne dynamické mikrofóny. Kondenzátorový mikrofón patrí medzi akusticky najvierohodnejšie a najcitlivejšie spomedzi rôznych princípov mikrofónov.

Elektretový mikrofón 

Elektretový mikrofón je typom kondenzátorového mikrofónu, u ktorého je elektrické pole potrebné pre funkciu, vytvárané elektretom čiže nevodivou hmotou, ktorá je permanentne nabitá. V rytme pohybu membrány sa mení kapacita kondenzátora a tým aj napätie medzi doskami. Zmeny napätia musia byť spracované predzosilovačom s vysokou vstupnou impedanciou, (zvyčajne zabudovaný FET tranzistor, priamo v telese mikrofónu), tým pádom potrebujú aj napájanie. Vyrábajú sa pre náročné meracie účely, pre štúdiá, ale takisto aj pre nenáročné použitie napríklad v počítačoch, telefónoch, spotrebnej elektronike atď. Samotné teleso mikrofónu nie je zvyčajne v priemere väčšie ako 1 cm.

Uhlíkový mikrofón 

Tento typ nie je ani dynamickým ani kondenzátorovým mikrofónom. Mikrofón bol používaný v starých telefónnych prístrojoch, a vďaka odolnosti proti otrasom aj v armádnych vysielačkách a telefónoch. Princíp je založený na stláčaní uhlíkových granulí. Ak sú tieto stlačené ich odpor klesá a výstupné napätie rastie. Na princípe uhlíkového mikrofónu boli skonštruované aj prvé akustické zosilňovače pre telefónne ústredne. Takéto zosilňovače mali vysoké skreslenie a malý frekvenčný rozsah. V mikrofónoch tejto konštrukcie sa pri mechanických (aj veľmi jemných) úderoch objavuje chraštenie spôsobené trením uhlíkových zrniek o seba. V začiatkoch rozhlasového vysielania prechádzal uhlíkovým mikrofónom signál vysielača s vysokým výkonom, mikrofóny preto vyžadovali chladenie. Boli umiestňované do ťažkých statívov a do sústav pružín čo eliminovalo mechanické rázy. Nemajú žiadnu smerovú charakteristiku.

Piezoelektrický (piezo)mikrofón 

Mikrofón je založený na piezoelektrickom jave. Kryštálová substancia pri svojej deformácii generuje polarizované elektrické napätie. Na tomto princípe je založený piezoelektrický mikrofón, ktorý sa používa hlavne na snímanie zvuku akustických nástrojov (kontrabas, gitara, husle), pretože sa plochý snímací prvok dá s výhodou upevniť na rezonančnú dosku hudobného nástroja. Vibrácie dosky sa preniesli na snímací kryštál, čo generovalo napätie ekvivalentné vibráciám. Piezoelektrický mikrofón sa používal hlavne v druhej polovici 20. storočia. Nízke náklady na jeho výrobu ho predurčili ako doplnok k páskovým magnetofónom.

Charakteristika mikrofónu 
 frekvenčný rozsah, pre ktorý sú mikrofóny určené. Udáva sa v Hz. Pre kvalitný záznam sa požaduje rozsah 40 Hz – 15 kHz. Uhlíkový mikrofón: 300 Hz – 3 kHz, dynamický mikrofón: 20 Hz – 20 kHz, kondenzátorový mikrofón: 10 Hz – 20 kHz.
 smerová charakteristika závislosť citlivosti mikrofónu od uhla medzi osou mikrofónu a smerom, z ktorého pôsobí zdroj zvuku. Vyjadruje sa priestorovým grafom.
 frekvenčná charakteristika je závislosť citlivosti mikrofónu na frekvencii. Vyjadruje sa graficky.
 citlivosť mikrofónu je minimálny akustický tlak ktorý je mikrofón schopný zachytiť aby vyvolal požadovanú odozvu. Udáva sa v mV/Pa pre danú frekvenciu. Čím je citlivosť nižšia, tým musí byť mikrofón bližšie k zdroju zvuku. Citlivosť nie je rozhodujúcim činiteľom, pokiaľ neklesne pod 0.8 mV/Pa pri vnútornom odpore mikrofónu 200 Ohm. Vtedy je ešte stále zachovaný odstup signál – šum 45 dB, čo je hranica poznateľnosti.
 šum mikrofónu Ak je ekvivalentná hladina šumu mikrofónu nižšia ako hladina šumu štúdia (akustický tlak 3,6.10-2 Pa) potom mikrofón vyhovuje.
 výstupná impedancia. Podľa druhu je viac-menej závislá na frekvencii. Veľkosť impedancie je dôležitá pre pripojenie mikrofónu ku zosilňovaču (impedančné prispôsobenie).
 činiteľ smerovosti Každý typ mikrofónu sa vyznačuje tým, že jeho výstupné napätie závisí tiež na smere, z ktorého na mikrofón dopadá zvuková vlna. Všesmernú citlivosť majú iba mikrofóny s všesmerovou smerovou charakteristikou, ale aj pre ne to platí len pre stredné a nízke frekvencie. Pri vyšších frekvenciách sa mení na srdcovú až osmičkovú v prípade, že vlnová dĺžka sa približuje s rozmerom mikrofónu. Mikrofóny so srdcovou resp. osmičkovou charakteristikou zdôrazňujú zvukové vlny prichádzajúce zo smeru najväčšej citlivosti mikrofónu a potláčajú zvuk z ostatných smerov. Činiteľ smerovosti sa dá matematicky vyjadriť ako pomer druhej mocniny výstupného napätia ku druhej mocnine výstupného napätia rovnakého mikrofónu umiestneného v dokonale difúznom akustickom poli za predpokladu rovnakého akustického tlaku a vlny dopadajúcej v osi mikrofónu. Mikrofón s dokonale všesmernou charakteristikou má koeficient smerovosti = 1. Odmocnina činiteľa smerovosti je tzv. činiteľ vzdialenosti, ktorý udáva koľkokrát je možné vzdialiť smerový mikrofón od akustického zdroja oproti mikrofónu s všesmernou charakteristikou pri zachovaní rovnakého pomeru priameho a rušivého signálu.

Smerová charakteristika 
Smerová charakteristika je priestorová citlivosť mikrofónu. V závislosti od konštrukcie a typu mikrofónu môže tento prijímať zvuk z rôznych smerov v rôznej intenzite. Mikrofóny sa navrhujú so smerovými charakteristikami podľa ich predpokladaného použitia. Smerová charakteristika je frekvenčne závislá – prejavuje sa spravidla pri vysokých tónoch, zatiaľ čo hlboké ostávajú nepoznamenané.

 všesmerová (omnidirectional) alebo guľová charakteristika je taká, pri ktorej mikrofón prijíma zvuk rovnako kvalitne zo všetkých strán. Dá sa dosiahnuť najjednoduchšie a je typická pre elektretové mikrofóny.
 srdcová (kardioidná) charakteristika potlačuje príjem zvuku „zozadu“ mikrofónu. Typická charakteristika pre spevácke dynamické mikrofóny, potláča spätnú väzbu.
 hyperkardioidná charakteristika je viac smerová charakteristika ako charakteristika kardioidná.
 osmičková (bidirectional) charakteristika je taká, pri ktorej prijíma mikrofón zvuk iba zozadu a spredu.
 smerová charakteristika predstavuje oslabený príjem zvuku zozadu a zo strán. Prijíma sa len zvuk spredu.
 úzko smerová charakteristika reprezentuje výrazne oslabený príjem zvuku zozadu, čo sa obyčajne z fyzikálnych dôvodov dosiahne dĺžkou mikrofónu až 1 meter. Je charakteristická pre filmové štáby, ktoré držia mikrofóny vo výške nad hranicou hornej hranice obrazu. Úzko smerová charakteristika mikrofónu sa dosahuje na úkor frekvenčnej charakteristiky, ktorá je zatlačená len do akustického spektra.

Frekvenčná charakteristika 
 
Frekvenčná charakteristika mikrofónu je závislosť citlivosti od frekvencie. Vyjadruje sa graficky. Fyzikálnym ideálom by bol mikrofón, ktorý by akustický podnet premenil vždy na ekvivalentný elektrický signál bez ohľadu na jeho frekvenciu. Tak tomu však nie je. Dosiahnutie vyrovnanej charakteristiky aspoň vo počuteľné oblasti vyžaduje nákladné opatrenia, napríklad veľmi malé rozmery mikrofónu. Z nedostatku sa však časom stala cnosť a frekvenčné nevyrovnanosti jednotlivých výrobkov začali byť využívané tak, aby pomohli zvýrazniť alebo potlačiť niektoré charakteristické zvukové odtiene snímaných objektov. Napr. všetky mikrofóny okrem všesmerových pracujú ako prevodníky gradientu tlaku, s približovaním k zdroju signálu zosiľnujú hlboké frekvencie – tzv. 'proximity efekt'''. Toho využívajú niektorí speváci na dosiahnutie teplej farby zvuku v niektorých pasážach spevu približovaním a odďaľovaním mikrofónu. 

Pre špeciálne účely sa vyrábajú mikrofóny s potlačenou časťou frekvenčnej charakteristiky (napr. pre reportážne snímanie reči alebo pre komunikačné zariadenia pracujúce v hlučnom prostredí), v niektorých prípadoch sú vybavené aj prepínateľnými korekciami priamo vo vlastnom telese mikrofónu, alebo majú zdôrazniť určitú časť spektra potrebnú ku snímaniu zvuku špecifických hudobných nástrojov.

 Príslušenstvo 
 ochrana proti vetru a mechanickým vplyvom – obvykle vo forme zvukovo priedušného návleku (molitan, tkanina)
 pavúk – využíva sa hlavne u kondenzátorových mikrofónov. Telo mikrofónu je zachytené v gumou (alebo pružinami) odpruženej sústave, ktorá ho oddeľuje od mechanických otrasov.
 windshield- všeobecne používaný názov pre penovú ochranu mikrofónu voči vetru. Hlavne ho používajú televízne štáby na reportážnych mikrofónoch, a takisto jeho "chlpatá" obdoba sa používa na úzko smerových mikrofónoch.
 pop filter – využíva sa v štúdiách. Je to sitko z priedušnej tkaniny tlmiace (rozptyľujúce) väčší objemu vzduchu (napr. výdych) aby sa nepreniesol ako rázová vlna na mikrofón.

 Pripojenie 

 Známe profesionálne mikrofóny 
 AKG C12 Stará rakúska firma (AKG, nem.: „Akustische Kino Geräte“) vyrába tieto mikrofóny od päťdesiatych rokov minulého storočia. Odvtedy je vysoko cenený ako vokálový mikrofón, má prepínateľnú charakteristiku a používa elektrónku EC92 (trióda). Originál sa už dá len veľmi ťažko zohnať a cena nového reedície C12VR sa pohybuje okolo 5000$.
 Neumann U47. Elektrónkový mikrofón vysokej kvality využívaný v štúdiách najmä na záznam spevu. Ceny týchto mikrofónov sa dnes pohybujú okolo 8000$.
 RCA 44. Stará americká firma (RCA, ) samotný vzhľad evokuje tridsiate roky minulého storočia. Ide o páskový (ribbon) mikrofón z veľmi príjemným zvukom. Špecifický bol pre rádiové štúdiá v USA kde sa tešil veľkej obľube. Ide o veľmi slávny model. Elvis rovnako nahrával svoje ranné nahrávky na RCA 77 alebo Shure 55SW.
 Shure 55SW. Veľmi známy tzv. „Elvis“ mikrofón. Ide o dynamický mikrofón. Špecifický svojim vzhľadom.
 Shure SM58. Najbežnejší dynamický mikrofón pre živé a štúdiové aplikácie. Vyrovnaná frekvenčná charakteristika, veľmi vysoká odolnosť voči mechanickému poškodeniu a vode. Obľúbené u spevákov. V roku 2016 oslávil 50 rokov výroby.

 Zdroje 
 spracované voľne podľa anglickej a nemeckej Wikipédie
 Svoboda, Brda: Elektroakustika do kapsy'', SNTL 1981

Elektroakustika
Senzory
Vstupné zariadenia