Микрофон - Microphone

Для инди-фильмов см. Микрофон (фильм).
«Микрофоны» перенаправляются сюда. Для инди-группы см. Микрофоны.

Братья Shure микрофон, модель 55s, мультиимпедансный "Small Unidyne" Dynamic с 1951 г.
А Sennheiser динамический микрофон

А микрофон, в просторечии названный микрофон или Майк (/маɪk/),[1] это устройство - преобразователь - что конвертирует звук в электрический сигнал. Микрофоны используются во многих приложениях, таких как телефоны, слуховые аппараты, системы громкой связи для концертных залов и массовых мероприятий, кинофильм производство, живое и записанное звуковая инженерия, запись звука, двусторонняя радиосвязь, мегафоны, радио и телевидение вещание. Они также используются в компьютерах для записи голоса, распознавание речи, VoIP, и для неакустических целей, таких как ультразвуковые датчики или датчики детонации.

Сегодня используются несколько типов микрофонов, которые используют разные методы для преобразования изменений давления воздуха звуковая волна к электрическому сигналу. Наиболее распространены динамический микрофон, в котором используется катушка с проволокой, подвешенная в магнитном поле; то конденсаторный микрофон, который использует вибрирующий диафрагма как конденсатор тарелка; и контактный микрофон, который использует кристалл пьезоэлектрический материал. Микрофоны обычно необходимо подключать к предусилитель прежде чем сигнал может быть записано или воспроизведено.

История

Чтобы говорить с большими группами людей, возникла потребность в увеличении громкости человеческого голоса. Самыми ранними устройствами, использовавшимися для этого, были акустические мегафоны. Некоторые из первых примеров, относящиеся к Греции V века до н.э., были театральными масками с роговыми отверстиями для рта, которые акустически усиливали голос актеров в амфитеатры.[2] В 1665 г. английский физик Роберт Гук был первым, кто экспериментировал со средой, отличной от воздуха, с изобретением "телефон влюбленных "из натянутой проволоки с чашечками на каждом конце.[3]

В 1861 году немецкий изобретатель Иоганн Филипп Рейс построил ранний звуковой передатчик ("Телефон Рейса "), в котором использовалась металлическая полоса, прикрепленная к вибрирующей мембране, которая производила прерывистый ток. Лучшие результаты были достигнуты в 1876 году с"передатчик жидкости "дизайн первых телефонов от Александр Грэхем Белл и Элиша Грей - диафрагма прикреплялась к токопроводящему стержню в растворе кислоты.[4] Однако эти системы давали очень плохое качество звука.

Дэвид Эдвард Хьюз изобрел угольный микрофон в 1870-х гг.

Первым микрофоном, который обеспечил правильную голосовую телефонию, был (свободный контакт) угольный микрофон. Это было независимо разработано Дэвид Эдвард Хьюз в Англии и Эмиль Берлинер и Томас Эдисон в США. Хотя Эдисон получил первый патент (после долгого судебного спора) в середине 1877 года, Хьюз продемонстрировал свое рабочее устройство перед многими свидетелями за несколько лет до этого, и большинство историков приписывают его изобретение.[5][6][7][8] Угольный микрофон является прямым прототипом современных микрофонов и сыграл решающую роль в развитии телефонии, радиовещания и звукозаписи.[9] Томас Эдисон усовершенствовал угольный микрофон в своем передатчике с угольной кнопкой 1886 года.[7][10] Этот микрофон использовался во время самой первой радиопередачи, выступления в Нью-Йоркском Метрополитен Опера в 1910 г.[11][12]

Джек Браун, интервью Хамфри Богарт и Лорен Бэколл для трансляции войскам за границей во время Второй мировой войны.

В 1916 году E.C. Wente из Western Electric совершил следующий прорыв, выпустив первые конденсаторный микрофон.[13] В 1923 году был построен первый практичный микрофон с подвижной катушкой. Магнитофон Маркони-Сайкса, разработанный Капитан Х. Дж. Раунд, стал стандартом для BBC студии в Лондоне.[14][15] Это было улучшено в 1930 г. Алан Блюмлейн и Герберт Холман, выпустивший HB1A, был лучшим эталоном того времени.[16]

Также в 1923 г. ленточный микрофон был представлен другой электромагнитный тип, который, как полагают, был разработан Гарри Ф. Олсон, который, по сути, реконструировал ленточный динамик.[17] На протяжении многих лет эти микрофоны были разработаны несколькими компаниями, в первую очередь RCA, которая добилась значительных успехов в управлении диаграммой направленности, чтобы придать микрофону направленность. С развитием телевидения и кино возникла потребность в микрофонах с высокой точностью воспроизведения и большей направленностью. Электро-Голос ответили их наградами Оскар микрофон-дробовик в 1963 г.

Во второй половине 20-го века развитие быстро продвигалось с появлением Shure Братья, выводящие SM58 и SM57.[18] Последние научные разработки включают использование волоконной оптики, лазеров и интерферометров.

Компоненты

Электронный символ для микрофона

Чувствительный элемент преобразователя микрофона называется его элемент или капсула. Звук сначала преобразуется в механическое движение с помощью диафрагмы, движение которой затем преобразуется в электрический сигнал. Полный микрофон также включает в себя корпус, некоторые средства передачи сигнала от элемента к другому оборудованию и часто электронную схему для адаптации выходного сигнала капсюля к приводимому оборудованию. А беспроводной микрофон содержит радиопередатчик.

Разновидности

Микрофоны классифицируются по их преобразователь принципа, например конденсаторный, динамический и т. д., и по их характеристикам направленности. Иногда для описания микрофона используются другие характеристики, такие как размер диафрагмы, предполагаемое использование или ориентация основного ввода звука по отношению к главной оси (конечный или боковой адрес) микрофона.

Конденсатор

Внутри конденсаторного микрофона Октава 319

В конденсаторный микрофон, изобретенный в Western Electric в 1916 году Э. К. Венте,[19] также называется конденсаторный микрофон или электростатический микрофон- конденсаторы исторически назывались конденсаторами. Здесь диафрагма действует как одна пластина конденсатор, а колебания вызывают изменение расстояния между пластинами. Есть два типа, в зависимости от метода извлечения звуковой сигнал от преобразователя: микрофоны с постоянным смещением и конденсаторные радиочастотные (RF) или высокочастотные (HF) микрофоны. С Микрофон со смещением постоянного тока, пластины предвзятый с фиксированной оплатой (Q). В Напряжение удерживаемая на обкладках конденсатора изменяется с колебаниями в воздухе в соответствии с уравнением емкости (C =Q⁄V), где Q = заряд в кулоны, C = емкость в фарады и V = разность потенциалов в вольт. Емкость пластин обратно пропорциональна расстоянию между ними для конденсатора с параллельными пластинами. Сборка неподвижных и подвижных пластин называется «элементом» или «капсулой».

На конденсаторе поддерживается почти постоянный заряд. При изменении емкости заряд на конденсаторе изменяется очень незначительно, но на слышимых частотах он остается постоянным. Емкость капсулы (от 5 до 100пФ ) и номиналом резистора смещения (100МОм до десятков ГОм) образуют фильтр верхних частот для аудиосигнала и нижних частот для напряжения смещения. Обратите внимание, что постоянная времени RC схема равняется произведению сопротивления и емкости.

В пределах временного интервала изменения емкости (до 50 мс при звуковом сигнале 20 Гц) заряд практически постоянен, а напряжение на конденсаторе изменяется мгновенно, отражая изменение емкости. Напряжение на конденсаторе изменяется выше и ниже напряжения смещения. Разница напряжений между смещением и конденсатором видна на последовательном резисторе. Напряжение на резисторе усиливается для исполнения или записи. В большинстве случаев электроника в самом микрофоне не способствует усилению напряжения, так как разница напряжений весьма значительна, до нескольких вольт для высоких уровней звука. Поскольку это схема с очень высоким импедансом, обычно требуется только усиление по току, при этом напряжение остается постоянным.

AKG C451B конденсаторный микрофон с маленькой диафрагмой

ВЧ конденсаторные микрофоны используйте сравнительно низкое высокочастотное напряжение, генерируемое малошумящим генератором. Сигнал от генератора может быть либо модулирован по амплитуде за счет изменений емкости, создаваемых звуковыми волнами, движущимися по диафрагме капсулы, либо капсула может быть частью резонансный контур который модулирует частоту сигнала генератора. Демодуляция дает сигнал звуковой частоты с низким уровнем шума и очень низким импедансом источника. Отсутствие высокого напряжения смещения позволяет использовать диафрагму с меньшим натяжением, что может быть использовано для достижения более широкой частотной характеристики из-за более высокой податливости. Процесс радиочастотного смещения приводит к уменьшению электрического импеданса капсулы, полезным побочным продуктом которого является то, что конденсаторные радиочастотные микрофоны могут работать во влажных погодных условиях, что может создать проблемы в микрофонах с постоянным смещением и загрязненными изоляционными поверхностями. В Sennheiser Микрофоны серии «МХ» используют метод радиочастотного смещения. Скрытый, с дистанционным питанием применение того же физического принципа был разработан советским российским изобретателем Леон Термен и использовался для прослушивания резиденции посла США в Москве в период с 1945 по 1952 год.

Конденсаторные микрофоны охватывают диапазон от телефонных передатчиков и недорогих микрофонов для караоке до высококачественных записывающих микрофонов. Как правило, они производят высококачественный аудиосигнал и в настоящее время являются популярным выбором в лабораториях и студия записи Приложения. Пригодность этой технологии, присущая этой технологии, обусловлена ​​очень малой массой, которую должна перемещать падающая звуковая волна, в отличие от других типов микрофонов, которым требуется, чтобы звуковая волна выполняла больше работы. Им требуется источник питания, обеспечиваемый либо через входы микрофона на оборудовании, как фантомное питание или от маленькой батарейки. Электропитание необходимо для установления напряжения на пластине конденсатора, а также для питания электроники микрофона (преобразование импеданса в случае электретных микрофонов и микрофонов с поляризацией по постоянному току, демодуляция или обнаружение в случае микрофонов RF / HF). Также доступны конденсаторные микрофоны с двумя диафрагмами, которые могут быть электрически соединены для обеспечения диапазона диаграмм направленности (см. Ниже), таких как кардиоидный, всенаправленный и восьмерка. Также возможно непрерывное изменение рисунка с помощью некоторых микрофонов, например, Ехал NT2000 или CAD M179.

А вентильный микрофон конденсаторный микрофон, использующий вакуумная труба (ламповый) усилитель.[20] Они остаются популярными среди энтузиастов ламповый звук.

Электретный конденсаторный

Основная статья: Электретный микрофон
Первый патент на фольгированный электретный микрофон Г. М. Сесслер и др. (страницы с 1 по 3)

Электретный микрофон - это тип конденсаторного микрофона, изобретенный Герхард Сесслер и Джим Вест в Bell лаборатории в 1962 г.[21]Внешний заряд, используемый для обычных конденсаторных микрофонов, заменяется постоянным зарядом в электретном материале. An электрет это сегнетоэлектрик материал, который был постоянно электрически заряженный или поляризованный. Название происходит от электростатический и магнet; статический заряд внедряется в электрет путем выравнивания статических зарядов в материале, во многом так же, как постоянный магнит производится путем совмещения магнитных доменов в куске железа.

Из-за их хороших характеристик и простоты изготовления, а следовательно, и низкой стоимости, подавляющее большинство микрофонов, производимых сегодня, являются электретными; производитель полупроводников оценивает годовое производство более чем в миллиард единиц.[22] Они используются во многих приложениях, от высококачественной записи до петушок (петличный микрофон) используется для встроенных микрофонов в небольших запись звука устройства и телефоны. До распространения микрофонов MEMS,[23] почти все микрофоны сотовых телефонов, компьютеров, КПК и наушников были электретного типа.

В отличие от других конденсаторных микрофонов, они не требуют поляризующего напряжения, но часто содержат встроенный предусилитель для этого требуется мощность (часто неправильно называемая поляризационной мощностью или смещением). Этот предусилитель часто фантомное питание в звукоусиление и студийные приложения. Монофонические микрофоны, предназначенные для персональные компьютеры (ПК), иногда называемые мультимедийными микрофонами, используют штекер 3,5 мм, как обычно, без питания для стерео; кольцо, вместо того чтобы передавать сигнал для второго канала, передает питание через резистор от (обычно) источника питания 5 В в компьютере. Стереофонические микрофоны используют тот же разъем; нет очевидного способа определить, какой стандарт используется оборудованием и микрофонами.

Хотя когда-то электретные микрофоны считались низкокачественными, теперь лучшие из них могут соперничать с традиционными конденсаторными микрофонами во всех отношениях и даже могут предложить долгосрочную стабильность и сверхплоский отклик, необходимые для измерительного микрофона. Только лучшие электретные микрофоны могут соперничать с хорошими модулями с поляризацией постоянного тока по уровню шума и качеству; электретные микрофоны поддаются недорогому массовому производству, в то время как по своей природе дорогие неэлектретные конденсаторные микрофоны производятся более высокого качества.

Динамический

Патти Смит петь в Shure SM58 (динамический кардиоидный тип) микрофон

В динамический микрофон (также известный как микрофон с подвижной катушкой) работает через электромагнитная индукция. Они прочные, относительно недорогие и устойчивые к влаге. Это в сочетании с их потенциально высоким усиление до обратной связи, делает их идеальными для использования на сцене.

Динамические микрофоны используют тот же динамический принцип, что и в громкоговоритель, только поменять местами. Небольшой подвижный индукционная катушка, расположенный в магнитное поле из постоянный магнит, прикреплен к диафрагма. Когда звук проходит через лобовое стекло микрофона, звуковая волна перемещает диафрагму. Когда диафрагма вибрирует, катушка движется в магнитном поле, создавая переменную текущий в катушке через электромагнитная индукция. Одна динамическая мембрана не реагирует линейно на все звуковые частоты. По этой причине некоторые микрофоны используют несколько мембран для различных частей звукового спектра, а затем объединяют полученные сигналы. Трудно правильно объединить несколько сигналов; конструкции, которые делают это, редки и, как правило, дороги. С другой стороны, есть несколько проектов, которые более конкретно нацелены на изолированные части звукового спектра. В AKG D112, например, предназначен для воспроизведения низких частот, а не высоких частот.[24] В аудиотехнике для достижения наилучших результатов часто используются одновременно несколько видов микрофонов.

Лента

Основная статья: Ленточный микрофон
Эдмунд Лоу используя ленточный микрофон

Ленточные микрофоны используйте тонкую, обычно гофрированную металлическую ленту, подвешенную в магнитном поле. Лента электрически соединена с выходом микрофона, и ее вибрация в магнитном поле генерирует электрический сигнал. Ленточные микрофоны похожи на микрофоны с подвижной катушкой в ​​том смысле, что оба производят звук за счет магнитной индукции. Основные ленточные микрофоны обнаруживают звук в двунаправленный (также называется восьмеркой, как в диаграмма ниже), потому что лента открыта с обеих сторон. Кроме того, поскольку лента имеет гораздо меньшую массу, она реагирует на скорость воздуха, а не на звуковое давление. Хотя симметричный передний и задний звукосниматели могут мешать при обычной стереозаписи, подавление высоких частот можно использовать с пользой, располагая ленточный микрофон горизонтально, например, над тарелками, чтобы задний лепесток улавливал звук только от тарелок. Зачеркнутая цифра 8, или Пара Blumlein, стереозапись становится все более популярной, и реакция ленточного микрофона в форме восьмерки идеально подходит для этого приложения.

Другие диаграммы направленности создаются путем помещения одной стороны ленты в акустическую ловушку или перегородку, позволяющую звуку достигать только одной стороны. Классический Микрофон RCA Type 77-DX имеет несколько регулируемых извне положений внутренней перегородки, что позволяет выбрать несколько вариантов реакции в диапазоне от «восьмерки» до «однонаправленного». Такие старые ленточные микрофоны, некоторые из которых по-прежнему обеспечивают высококачественное воспроизведение звука, когда-то ценились по этой причине, но хороший низкочастотный отклик можно было получить только тогда, когда лента была подвешена очень свободно, что делало их относительно хрупкими. Современные ленточные материалы, в том числе новые наноматериалы,[25] были представлены, которые устраняют эти проблемы и даже улучшают эффективный динамический диапазон ленточных микрофонов на низких частотах. Защитные ветровые экраны могут снизить опасность повреждения винтажной ленты, а также уменьшить взрывоопасные артефакты на записи. Правильно спроектированные ветровые экраны дают незначительное затухание высоких частот. Как и другие классы динамических микрофонов, ленточные микрофоны не требуют фантомное питание; Фактически, это напряжение может повредить некоторые старые ленточные микрофоны. Некоторые новые современные конструкции ленточных микрофонов содержат предусилитель и, следовательно, требуют фантомного питания и схем современных пассивных ленточных микрофонов, т.е.без вышеупомянутого предусилителя, специально разработаны, чтобы противостоять повреждению ленты и трансформатора фантомным питанием. Также доступны новые ленточные материалы, невосприимчивые к порывам ветра и фантомной энергии.

Углерод

Основная статья: Угольный микрофон
Western Electric двухкнопочный угольный микрофон

В угольный микрофон был самым ранним типом микрофона. Угольный кнопочный микрофон (или иногда просто кнопочный микрофон) использует капсулу или кнопку, содержащую угольные гранулы, зажатые между двумя металлическими пластинами, такими как Берлинер и Эдисон микрофоны. К металлическим пластинам подается напряжение, в результате чего через углерод проходит небольшой ток. Одна из пластин, диафрагма, вибрирует в соответствии с падающими звуковыми волнами, оказывая различное давление на углерод. Изменяющееся давление деформирует гранулы, вызывая изменение площади контакта между каждой парой соседних гранул, и это вызывает изменение электрического сопротивления массы гранул. Изменения сопротивления вызывают соответствующее изменение тока, протекающего через микрофон, создавая электрический сигнал. Когда-то углеродные микрофоны широко использовались в телефонах; они имеют чрезвычайно низкое качество воспроизведения звука и очень ограниченный частотный диапазон, но являются очень надежными устройствами. Микрофон Буде, в котором использовались относительно большие угольные шары, был похож на кнопочные микрофоны из гранулированного угля.[26]

В отличие от других типов микрофонов, угольный микрофон также можно использовать в качестве усилителя, используя небольшое количество звуковой энергии для управления большим количеством электроэнергии. Углеродные микрофоны нашли применение еще раньше телефонные повторители, что сделало возможным междугородние телефонные звонки в эпоху до появления электронных ламп. Вызывается реле Брауна,[нужна цитата ] Эти ретрансляторы работали путем механического соединения магнитной телефонной трубки с угольным микрофоном: слабый сигнал от приемника передавался на микрофон, где он модулировал более сильный электрический ток, производя более сильный электрический сигнал для передачи по линии. Одной из иллюстраций этого эффекта усилителя были колебания, вызванные обратной связью, приводящие к слышимому визгу из старого телефона «подсвечник», если его наушник был помещен рядом с угольным микрофоном.

Пьезоэлектрический

Винтаж Astatic хрустальный микрофон

А хрустальный микрофон или пьезо микрофон[27] использует феномен пьезоэлектричество - способность некоторых материалов создавать напряжение при воздействии давления - преобразовывать колебания в электрический сигнал. Примером этого является тартрат калия-натрия, который представляет собой пьезоэлектрический кристалл, который работает как преобразователь, как микрофон, так и как тонкий компонент громкоговорителя. Когда-то хрустальные микрофоны обычно поставлялись с вакуумная труба (клапанное) оборудование, такое как бытовые магнитофоны. Их высокий выходной импеданс соответствовал высокому входному сопротивлению (обычно около 10мегоммы ) колодца входного каскада вакуумной лампы. Их было трудно сопоставить с ранними транзистор оборудование, и на время были быстро вытеснены динамическими микрофонами, а позже и небольшими электретными конденсаторными устройствами. Высокое сопротивление кристаллического микрофона сделало его очень восприимчивым к шумам как от самого микрофона, так и от соединительного кабеля.

Пьезоэлектрические преобразователи часто используются в качестве контактные микрофоны для усиления звука акустических музыкальных инструментов, для распознавания ударов барабана, для запуска электронных сэмплов и для записи звука в сложных условиях, например под водой под высоким давлением. Пикапы на седле на акустические гитары обычно представляют собой пьезоэлектрические устройства, которые контактируют со струнами, проходящими через седло. Этот тип микрофона отличается от звукосниматели с магнитной катушкой обычно видны на типичных электрогитары, которые используют магнитную индукцию, а не механическую связь, для улавливания вибрации.

Оптоволокно

В Оптоакустика 1140 волоконно-оптический микрофон

А оптоволокно Микрофон преобразует акустические волны в электрические сигналы, воспринимая изменения интенсивности света, вместо того, чтобы определять изменения емкости или магнитных полей, как в обычных микрофонах.[28][29]

Во время работы свет от лазерного источника проходит через оптическое волокно, освещая поверхность отражающей диафрагмы. Звуковые колебания диафрагмы модулируют интенсивность света, отражающегося от диафрагмы в определенном направлении. Затем модулированный свет передается по второму оптическому волокну на фотодетектор, который преобразует модулированный по интенсивности свет в аналоговый или цифровой звук для передачи или записи. Волоконно-оптические микрофоны обладают широким динамическим и частотным диапазоном, сравнимыми с лучшими традиционными микрофонами с высокой точностью воспроизведения.

Волоконно-оптические микрофоны не реагируют на какие-либо электрические, магнитные, электростатические или радиоактивные поля и не влияют на них (это называется EMI / RFI иммунитет). Поэтому конструкция оптоволоконного микрофона идеально подходит для использования в местах, где обычные микрофоны неэффективны или опасны, например, внутри. промышленные турбины или в магнитно-резонансная томография (МРТ) оборудование окружающей среды.

Волоконно-оптические микрофоны надежны, устойчивы к изменениям температуры и влажности окружающей среды и могут быть изготовлены для любой направленности или согласование импеданса. Расстояние между источником света микрофона и его фотодетектором может составлять до нескольких километров без необходимости в предварительном усилителе или другом электрическом устройстве, что делает оптоволоконные микрофоны пригодными для промышленного акустического мониторинга и наблюдения.

Волоконно-оптические микрофоны используются в очень специфических областях, таких как инфразвук мониторинг и шумоподавление. Они оказались особенно полезными в медицинских приложениях, например, позволяя радиологам, персоналу и пациентам в мощном и зашумленном магнитном поле нормально разговаривать внутри кабинетов МРТ, а также в удаленных диспетчерских.[30] Другие применения включают мониторинг промышленного оборудования, калибровку и измерение звука, высококачественную запись и правоохранительные органы.[31]

Лазер

Основная статья: Лазерный микрофон

Лазерные микрофоны часто изображаются в фильмах как шпионские устройства, поскольку их можно использовать для улавливания звука на расстоянии от микрофонного оборудования. Луч лазера направлен на поверхность окна или другую плоскую поверхность, на которую воздействует звук. Вибрации этой поверхности изменяют угол, под которым отражается луч, и движение лазерного пятна от обратного луча обнаруживается и преобразуется в звуковой сигнал.

В более надежной и дорогой реализации возвращенный свет разделяется и подается на интерферометр, который обнаруживает движение поверхности по изменению длина оптического пути отраженного луча. Первая реализация представляет собой настольный эксперимент; последнее требует чрезвычайно стабильного лазера и точной оптики.

Новый тип лазерного микрофона - это устройство, которое использует лазерный луч и дым или пар для обнаружения звук вибрации на свободном воздухе. 25 августа 2009 г. был выдан патент США 7,580,533 на микрофон для обнаружения потока твердых частиц на основе пары лазер-фотоэлемент с движущимся потоком дыма или пара на пути лазерного луча. Волны звукового давления вызывают возмущения в дыме, которые, в свою очередь, вызывают колебания количества лазерного света, попадающего на фотодетектор. Прототип устройства был продемонстрирован на 127-м съезде Audio Engineering Society в Нью-Йорке с 9 по 12 октября 2009 года.

Жидкость

Основная статья: Водяной микрофон

Ранние микрофоны не давали разборчивой речи, пока Александр Грэхем Белл внесены улучшения, включая микрофон / передатчик с переменным сопротивлением. Жидкий передатчик Белла состоял из металлической чашки, наполненной водой с небольшим количеством добавленной серной кислоты. Звуковая волна заставляла диафрагму двигаться, заставляя иглу двигаться вверх и вниз в воде. Электрическое сопротивление между проводом и чашкой было обратно пропорционально размеру водяного мениска вокруг погруженной иглы. Элиша Грей подал предостережение для версии с использованием латунного стержня вместо иглы.[когда? ] Другие незначительные изменения и улучшения были внесены в жидкостный микрофон Майоранной, Чемберсом, Ванни, Сайксом и Элишей Грей, и одна версия была запатентована Реджинальд Фессенден в 1903 г.Это были первые работающие микрофоны, но они не имели практического применения в коммерческих целях. Знаменитый первый телефонный разговор между Беллом и Ватсоном произошел с использованием жидкого микрофона.

МЭМС

Основная статья: Микроэлектромеханические системы

В МЭМС (Микроэлектро-механическая система) микрофон также называют микросхемой микрофона или силиконовым микрофоном. Чувствительная к давлению диафрагма вытравливается непосредственно на кремниевой пластине с помощью методов обработки MEMS и обычно сопровождается встроенным предусилителем. Большинство микрофонов MEMS представляют собой варианты конструкции конденсаторного микрофона. Цифровые микрофоны MEMS имеют встроенные аналого-цифровой преобразователь (ADC) схемы на том же кристалле CMOS, что делает микросхему цифровым микрофоном и, таким образом, более легко интегрируется с современными цифровыми продуктами. Основными производителями кремниевых микрофонов MEMS являются Wolfson Microelectronics (WM7xxx), теперь Cirrus Logic,[32] InvenSense (линейка продуктов, продаваемая Analog Devices [33]), Akustica (AKU200x), Infineon (продукт SMM310), Knowles Electronics, Memstech (MSMx), NXP Semiconductors (подразделение, купленное Knowles [34]), Sonion MEMS, Vesper, AAC Acoustic Technologies,[35] и Omron.[36]

В последнее время, с 2010-х годов, наблюдается повышенный интерес и исследования в области создания пьезоэлектрических МЭМС-микрофонов, которые представляют собой значительное архитектурное и материальное отличие от существующих МЭМС-микрофонов конденсаторного типа.[37]

Колонки как микрофоны

А громкоговоритель преобразователь, преобразующий электрический сигнал в звуковые волны, является функциональной противоположностью микрофона. Поскольку обычный динамик похож по конструкции на динамический микрофон (с диафрагмой, катушкой и магнитом), динамики могут фактически работать «наоборот» как микрофоны. взаимность применяется, поэтому результирующий микрофон имеет те же недостатки, что и одинарный динамик: ограниченная частотная характеристика низких и высоких частот, плохо контролируемая направленность и низкий чувствительность. На практике динамики иногда используются в качестве микрофонов в приложениях, где не требуется высокая полоса пропускания и чувствительность, например домофоны, рации или голосовой чат видеоигры периферийные устройства или когда не хватает обычных микрофонов.

Однако есть по крайней мере одно практическое применение, которое использует эти слабые места: использование среднего размера вуфер размещены вплотную к "бас-барабану" (басовый барабан ) в барабанная установка действовать как микрофон. Примером коммерческого продукта является Yamaha Subkick, 6,5-дюймовый (170 мм) низкочастотный динамик, установленный на амортизаторе в корпусе 10-дюймового барабана, который используется перед бас-барабанами. Поскольку относительно массивная мембрана неспособна передавать высокие частоты, будучи способной выдерживать с сильными низкочастотными переходными процессами, динамик часто идеально подходит для игры на бас-барабане, уменьшая при этом утечку звука из расположенных поблизости тарелок и малого барабана.[38]

Реже сами микрофоны можно использовать в качестве динамиков, но из-за их низкой мощности и малых размеров преобразователя твитер это наиболее практичное приложение. Одним из примеров такого приложения был STC сверхвысокочастотный динамик 4001 на основе микрофона, который успешно использовался в ряде высококачественных акустических систем с конца 1960-х до середины 70-х годов.

Дизайн и направленность капсулы

Внутренние элементы микрофона являются основным источником различий в направленности. Микрофон давления использует диафрагма между фиксированным внутренним объемом воздуха и окружающей средой и равномерно реагирует на давление со всех сторон, поэтому называется всенаправленным. Микрофон с градиентом давления использует диафрагму, которая, по крайней мере, частично открыта с обеих сторон. Разница давлений между двумя сторонами определяет его характеристики направления. Другие элементы, такие как внешняя форма микрофона и внешние устройства, такие как интерференционные трубки, также могут изменять направленную характеристику микрофона. Микрофон с чистым градиентом давления одинаково чувствителен к звукам, идущим спереди или сзади, но нечувствителен к звукам, идущим сбоку, потому что звук, поступающий спереди и сзади, не создает градиента между ними. Характерная диаграмма направленности микрофона с чистым градиентом давления похожа на восьмерку. Другие диаграммы направленности получены путем создания капсулы, в которой эти два эффекта по-разному сочетаются. Кардиоида, например, имеет частично закрытую заднюю часть, поэтому ее реакция представляет собой комбинацию характеристик давления и градиента давления.[39]

Полярные узоры

Полярная чувствительность микрофона. На схеме микрофон направлен к верхней части страницы параллельно странице.[40]

  • Всенаправленный
  • Двунаправленный или цифра 8
  • Субкардиоидный
  • Гиперкардиоидный
  • Суперкардиоидный
  • Лобар

Направленность или диаграмма направленности микрофона показывает, насколько он чувствителен к звукам, поступающим под разными углами относительно его центральной оси. Полярные диаграммы, показанные выше, представляют локус точек, которые производят одинаковый уровень выходного сигнала в микрофоне, если заданный уровень звукового давления (SPL) генерируется с этой точки. То, как физический корпус микрофона ориентирован относительно схем, зависит от конструкции микрофона. Для микрофонов с большой мембраной, таких как Октава (на фото выше), направление вверх на полярной диаграмме обычно перпендикуляр к корпусу микрофона, обычно называемому «боковой огонь» или «боковой адрес». Для микрофонов с небольшой диафрагмой, таких как Shure (также изображенный выше), он обычно простирается от оси микрофона, обычно известной как «конечный огонь» или «верхний / конечный адрес».

Некоторые конструкции микрофонов сочетают в себе несколько принципов для создания желаемой диаграммы направленности. Это варьируется от экранирования (то есть дифракции / рассеяния / поглощения) самим корпусом до электронного объединения двойных мембран.

Всенаправленный

An всенаправленный (или ненаправленный) микрофонный отклик обычно считается идеальной сферой в трех измерениях. В реальном мире это не так. Как и в случае с направленными микрофонами, диаграмма направленности для «всенаправленного» микрофона является функцией частоты. Корпус микрофона не бесконечно мал, и, как следствие, он имеет тенденцию влиять на звуки, идущие сзади, вызывая небольшое сглаживание полярного отклика. Это сглаживание увеличивается по мере того, как диаметр микрофона (если предположить, что он цилиндрический) достигает длины волны рассматриваемой частоты. Таким образом, микрофон наименьшего диаметра дает наилучшие всенаправленные характеристики на высоких частотах.

Длина волны звука на частоте 10 кГц составляет 1,4 дюйма (3,5 см). Самые маленькие измерительные микрофоны часто имеют диаметр 1/4 дюйма (6 мм), что практически исключает направленность даже на самых высоких частотах. Всенаправленные микрофоны, в отличие от кардиоидов, не используют резонансные полости в качестве задержек, и поэтому могут считаться «чистейшими» микрофонами с точки зрения низкой окраски; они очень мало добавляют к исходному звуку. Поскольку они чувствительны к давлению, они также могут иметь очень ровную низкочастотную характеристику до 20 Гц или ниже. Чувствительные к давлению микрофоны также гораздо меньше реагируют на шум ветра и взрывчатые вещества, чем направленные (чувствительные к скорости) микрофоны.

Сферы применения: студии, старые церкви, театры, телеинтервью на месте и т. Д.[41]

Примером ненаправленного микрофона является круглый черный восьмой мяч.[42]

Однонаправленный

Однонаправленный микрофон в первую очередь чувствителен к звукам только с одного направления. Схема выше (дробовик) иллюстрирует ряд таких шаблонов. На каждой диаграмме микрофон направлен вверх. Интенсивность звука для определенной частоты отображается для углов в радиальном направлении от 0 до 360 °. (Профессиональные диаграммы показывают эти масштабы и включают несколько графиков на разных частотах. Приведенные здесь диаграммы предоставляют только обзор типичных форм узоров и их названий.)

Кардиоид, гиперкардиоид, суперкардиоид, субкардиоид

Динамический суперкардиоидный микрофон University Sound US664A

Самый распространенный однонаправленный микрофон - это кардиоидный микрофон, названный так потому, что диаграмма чувствительности имеет форму сердца, т.е. кардиоидный. Семейство кардиоидных микрофонов обычно используется в качестве вокальных или речевых микрофонов, поскольку они хорошо подавляют звуки с других направлений. В трех измерениях кардиоида имеет форму яблока с центром вокруг микрофона, который является «стеблем» яблока. Кардиоидный отклик снижает поглощение сбоку и сзади, помогая избежать обратной связи от мониторы. Поскольку эти направленные преобразователь микрофоны достигают своего рисунка, воспринимая градиент давления, помещая их очень близко к источнику звука (на расстоянии нескольких сантиметров), что приводит к усилению низких частот из-за увеличенного градиента. Это известно как эффект близости.[43] В SM58 был наиболее часто используемым микрофоном для живого вокала более 50 лет[44] демонстрируя важность и популярность кардиоидных микрофонов.

Кардиоида представляет собой наложение всенаправленного (давление) микрофона и микрофона в форме восьмерки (градиент давления);[45] для звуковых волн, идущих сзади, отрицательный сигнал от восьмерки подавляет положительный сигнал от всенаправленного элемента, тогда как для звуковых волн, идущих спереди, они складываются друг с другом.

Комбинируя два компонента в разных соотношениях, можно получить любой рисунок между всенаправленным и восьмеркой, которые составляют семейство кардиоидов первого порядка. Общие формы включают:

  • А гиперкардиоидный микрофон похож на кардиоидный, но с немного большим вкладом в виде восьмерки, что приводит к более узкой области передней чувствительности и меньшему лепестку задней чувствительности. Он производится путем комбинирования двух компонентов в соотношении 3: 1 с получением нуля под углом 109,5 °. Это соотношение максимизирует коэффициент направленности (или индекс направленности).[46][47]
  • А суперкардиоидный микрофон похож на гиперкардиоидный, за исключением того, что здесь больше переднего датчика и меньше заднего датчика. Он производится с соотношением сторон примерно 5: 3 с нулевыми точками под углом 126,9 °. Это соотношение максимизирует передне-заднее соотношение; соотношение энергии между передним и задним излучением.[46][47]
  • В субкардиоидный микрофон не имеет нулевых точек. Он воспроизводится с соотношением примерно 7: 3 и уровнем 3–10 дБ между передним и задним звукоснимателями.[48][49]

Двунаправленный

Микрофоны типа «фигура 8» или двунаправленные микрофоны получают звук одинаково как с передней, так и с задней стороны элемента. Большинство ленточных микрофонов имеют этот образец. В принципе, они вообще не реагируют на звуковое давление, только на изменение в давлении между передней и задней частью; поскольку звук, поступающий сбоку, одинаково распространяется спереди и сзади, нет разницы в давлении и, следовательно, нет чувствительности к звуку с этого направления. Говоря более математически, в то время как всенаправленные микрофоны скаляр преобразователи, реагирующие на давление с любого направления, двунаправленные микрофоны вектор преобразователи, реагирующие на градиент по оси, перпендикулярной плоскости диафрагмы. Это также имеет эффект инвертирования выходной полярности для звуков, поступающих с тыльной стороны.

Дробовик

Микрофон-дробовик Audio-Technica
Интерференционная трубка ружейного микрофона. Капсула находится у основания трубки.

Микрофоны для дробовика являются наиболее направленными из простых однонаправленных типов первого порядка. На низких частотах они имеют классический полярный отклик гиперкардиоида, но на средних и высоких частотах интерференционная трубка дает им усиленный прямой отклик. Это достигается за счет подавления внеосевых волн, попадающих в продольный массив пазов. Следствием этой техники является наличие некоторых задних лепестков, которые меняются по уровню и углу в зависимости от частоты и могут вызывать некоторые эффекты окраски. Из-за узкой чувствительности переднего плана микрофоны-дробовики обычно используются на телевидении и съемочных площадках, на стадионах и для полевых съемок дикой природы.

Граница или «ПЗМ»

Было разработано несколько подходов для эффективного использования микрофона в менее чем идеальных акустических пространствах, которые часто страдают от чрезмерных отражений от одной или нескольких поверхностей (границ), составляющих пространство. Если микрофон расположен внутри или очень близко к одной из этих границ, отражения от этой поверхности будут иметь то же время, что и прямой звук, что придает микрофону полусферическую диаграмму направленности и улучшенную разборчивость. Первоначально это делалось путем размещения обычного микрофона рядом с поверхностью, иногда в блоке из акустически прозрачной пены. Звукорежиссеры Эд Лонг и Рон Викершем разработали концепцию размещения диафрагмы параллельно границе и лицом к ней.[50] Несмотря на то, что срок действия патента истек, «Микрофон зоны давления» и «PZM» все еще являются действующими товарными знаками компании Crown International, а общий термин пограничный микрофон является предпочтительным. Хотя граничный микрофон изначально был реализован с использованием всенаправленного элемента, также можно установить направленный микрофон достаточно близко к поверхности, чтобы получить некоторые преимущества этого метода, сохранив при этом свойства направленности элемента. Торговая марка Crown в этом подходе - «Phase Coherent Cardioid» или «PCC», но есть и другие производители, которые также используют эту технику.

Конструкции для конкретных приложений

А петличный микрофон предназначен для работы без помощи рук. Эти маленькие микрофоны носятся на теле. Первоначально они удерживались на месте шнурком, который носили на шее, но чаще их крепят к одежде с помощью зажима, булавки, ленты или магнита. Петличный шнур может быть скрыт одеждой и либо идти к РЧ-передатчику в кармане, либо пристегиваться к ремню (для мобильного использования), либо идти прямо к смесителю (для стационарных приложений).

А беспроводной микрофон передает аудио как радио или оптический сигнал, а не через кабель. Обычно он отправляет свой сигнал с помощью небольшого FM-радиопередатчика на ближайший приемник, подключенный к звуковой системе, но он также может использовать инфракрасные волны, если передатчик и приемник находятся в пределах видимости друг друга.

А контактный микрофон улавливает вибрации непосредственно от твердой поверхности или объекта, в отличие от звуковых колебаний, передаваемых через воздух. Одно из применений этого - обнаружение звуков очень низкого уровня, например, от небольших предметов или насекомые. Микрофон обычно состоит из магнитного преобразователя (подвижная катушка), контактной пластины и контактного штифта. Контактная пластина размещается непосредственно на вибрирующей части музыкального инструмента или другой поверхности, а контактный штифт передает колебания на катушку. Контактные микрофоны использовались, чтобы улавливать звук сердцебиения улитки и шаги муравьев. Недавно была разработана портативная версия этого микрофона. А горловой микрофон это вариант контактного микрофона, который улавливает речь прямо из горла человека, к которому он привязан. Это позволяет использовать устройство в местах с окружающими звуками, которые в противном случае сделали бы динамик неслышимым.

Параболический отражатель Sony без микрофона. Микрофон будет обращен к поверхности отражателя, и звук, захваченный отражателем, будет отражаться в направлении микрофона.

А параболический микрофон использует параболический отражатель собирать и фокусировать звуковые волны на микрофонный приемник почти так же, как параболическая антенна (например. спутниковая тарелка ) с радиоволнами. Типичные применения этого микрофона, который имеет необычно сфокусированную переднюю чувствительность и может улавливать звуки на расстоянии многих метров, включая запись природы, спортивные мероприятия на открытом воздухе, подслушивание, правоохранительные органы, и даже шпионаж. Параболические микрофоны обычно не используются для стандартных приложений записи, потому что они, как правило, имеют плохую низкочастотную характеристику как побочный эффект их конструкции.

Стереомикрофон объединяет два микрофона в один блок для создания стереофонического сигнала. Стереомикрофон часто используется для трансляция приложения или полевые записи где было бы непрактично настроить два отдельных конденсаторных микрофона в классической конфигурации X-Y (см. микрофонная практика ) для стереофонической записи. Некоторые такие микрофоны имеют регулируемый угол охвата между двумя каналами.

А микрофон с шумоподавлением - это направленная конструкция, предназначенная для шумной среды. Одно такое использование находится в самолет кабины экипажа, где они обычно устанавливаются в качестве микрофонов на штанге наушников. Другое использование в поддержка живых мероприятий на громких концертных площадках для вокалистов, занимающихся живые выступления. Многие микрофоны с шумоподавлением объединяют сигналы, полученные от двух диафрагм, расположенных напротив друг друга. электрическая полярность или обрабатываются в электронном виде. В конструкциях с двойной диафрагмой основная диафрагма устанавливается ближе всего к предполагаемому источнику, а вторая располагается дальше от источника, чтобы она могла улавливать звуки окружающей среды и вычитать их из сигнала основной диафрагмы. После объединения двух сигналов звуки, отличные от предполагаемого источника, значительно уменьшаются, существенно повышая разборчивость. В других конструкциях с шумоподавлением используется одна диафрагма, на которую воздействуют порты, открытые по бокам и сзади микрофона, в сумме это составляет 16 дБ подавления более удаленных звуков. Один дизайн гарнитуры с шумоподавлением, использующий одну диафрагму, широко использовался вокалистами, такими как Гарт Брукс и Джанет Джексон.[51] Несколько микрофонов с шумоподавлением - это горловые микрофоны.

Техника стереомикрофона

Основная статья: Микрофонная практика

С микрофонами используются различные стандартные методы. звукоусиление на живых выступлениях, или для записи в студии, или на съемочной площадке. При соответствующем расположении одного или нескольких микрофонов желаемые характеристики собираемого звука могут быть сохранены, но при этом исключены нежелательные звуки.

Питание

Микрофоны, содержащие активные схемы, такие как большинство конденсаторных микрофонов, требуют питания для работы активных компонентов. В первом из них использовались ламповые схемы с отдельным блоком питания с использованием многополюсного кабеля и разъема. С появлением твердотельного усиления требования к мощности были значительно снижены, и стало практичным использовать одни и те же жилы кабеля и разъемы для звука и питания. В течение 1960-х годов было разработано несколько методов питания, в основном в Европе. Два основных метода были первоначально определены в немецком стандарте DIN 45595 как de: Tonaderspeisung или T-power и DIN 45596 для фантомное питание. С 1980-х годов фантомное питание стало гораздо более распространенным, поскольку один и тот же вход может использоваться как для подключенных, так и для автономных микрофонов. В бытовой электронике, такой как цифровые зеркальные фотокамеры и видеокамеры, более распространено «подключаемое питание» для микрофонов, использующих телефонный штекер 3,5 мм. Фантомное питание, Т-питание и подключаемое питание описаны в международном стандарте IEC 61938.[52]

Разъемы

А Синий Yeti с разъемом USB (не виден)

Наиболее распространенные разъемы, используемые микрофонами:

  • мужчина Разъем XLR на профессиональных микрофонах
  • ¼ дюйма (иногда называемый 6,35 мм) телефонный разъем на менее дорогих микрофонах музыкантов с помощью несбалансированного телефонного разъема TS (наконечник и гильза) 1/4 дюйма (6,3 мм). В микрофонах-гармониках обычно используется соединение TS с высоким сопротивлением 1/4 дюйма (6,3 мм), которое проходит через гитарные усилители.
  • 3,5 мм Миниатюрный телефонный штекер TRS (наконечник, кольцо и гильза) (также доступный как моно TS) (иногда называемый 1/8 дюймовым мини) для профессиональных микрофонов камеры, записывающего устройства и компьютерных микрофонов.
  • USB позволяет прямое подключение к ПК. Электроника в этих микрофонах, запитанная через USB-соединение, выполняет предварительное усиление и АЦП перед передачей цифровых аудиоданных через USB-интерфейс.

Некоторые микрофоны используют другие разъемы, такие как 5-контактный XLR или mini XLR для подключения к портативному оборудованию. В некоторых петличных (или «лацканских», со времен прикрепления микрофона к лацкану костюма репортера) микрофоны используются проприетарные разъемы для подключения к беспроводному передатчику, например радио пакет. С 2005 года начали появляться микрофоны профессионального качества с USB-подключением, предназначенные для прямой записи в компьютерное программное обеспечение.

Согласование импеданса

У микрофонов есть электрическая характеристика, называемая сопротивление, измеряется в Ом (Ω), что зависит от конструкции. В пассивных микрофонах это значение относится к импедансу катушки (или подобного механизма). В активных микрофонах это значение описывает сопротивление нагрузки, на которое рассчитана схема усилителя. Обычно номинальное сопротивление говорится.[53] Низкое сопротивление считается ниже 600 Ом. Средний импеданс считается от 600 Ом до 10 кОм. Высокое сопротивление выше 10 кОм. Благодаря встроенным усилитель мощности конденсаторные микрофоны обычно имеют выходное сопротивление от 50 до 200 Ом.[54]

Если микрофон выполнен в версиях с высоким и низким импедансом, версия с высоким сопротивлением имеет более высокое выходное напряжение для данного входного звукового давления и подходит для использования, например, с ламповыми гитарными усилителями, которые имеют высокое входное сопротивление и требуется относительно высокое входное напряжение сигнала, чтобы преодолеть собственный шум ламп. Большинство профессиональных микрофонов имеют низкое сопротивление, около 200 Ом или ниже. Профессиональное ламповое звуковое оборудование включает в себя трансформатор который увеличивает импеданс микрофонной цепи до высокого импеданса и напряжения, необходимых для возбуждения входной трубки. Также доступны внешние согласующие трансформаторы, которые можно использовать параллельно между микрофоном с низким сопротивлением и входом с высоким сопротивлением.

Микрофоны с низким импедансом предпочтительнее микрофонов с высоким импедансом по двум причинам: первая заключается в том, что использование микрофона с высоким импедансом с длинным кабелем приводит к потере высокочастотного сигнала из-за емкости кабеля, которая образует фильтр нижних частот с выходным сопротивлением микрофона.[нужна цитата ]. Во-вторых, длинные кабели с высоким импедансом имеют тенденцию поглощать больше гудеть (и, возможно, радиочастотные помехи (RFI) тоже). Ничего не будет повреждено, если импеданс между микрофоном и другим оборудованием не соответствует требованиям; худшее, что происходит, - это снижение сигнала или изменение частотной характеристики.

Некоторые микрофоны предназначены не чтобы их полное сопротивление соответствовало нагрузке, к которой они подключены.[55] Это может изменить их частотную характеристику и вызвать искажения, особенно при высоких уровнях звукового давления. Некоторые ленточные и динамические микрофоны являются исключением, поскольку разработчики предположили, что определенное полное сопротивление нагрузки является частью внутренней электроакустической демпфирующей цепи микрофона.[56][сомнительный – обсудить]

Цифровой микрофонный интерфейс

Цифровой микрофон Neumann D-01 и 8-канальный цифровой микрофонный USB-интерфейс Neumann DMI-8

В AES42 стандарт, опубликованный Аудио инженерное общество, определяет цифровой интерфейс для микрофонов. Микрофоны, соответствующие этому стандарту, напрямую выводят цифровой аудиопоток через XLR или XLD штекер, а не аналоговый выход. Цифровые микрофоны могут использоваться либо с новым оборудованием с соответствующими входными соединениями, соответствующими стандарту AES42, либо через подходящий интерфейсный блок. Микрофоны студийного качества, работающие в соответствии со стандартом AES42, теперь доступны у ряда производителей микрофонов.

Размеры и характеристики

Сравнение АЧХ на оси дальнего поля Октава 319 и Shure SM58

Из-за различий в конструкции микрофоны имеют свои характерные реакции на звук. Эта разница в ответной реакции приводит к неоднородной фаза и частота ответы. Кроме того, микрофоны неодинаково чувствительны к звуковому давлению и могут принимать разные уровни без искажений. Хотя для научных приложений желательны микрофоны с более равномерным откликом, это часто не относится к записи музыки, поскольку неравномерный отклик микрофона может привести к желаемой окраске звука. Существует международный стандарт технических характеристик микрофонов,[53] но немногие производители его придерживаются. В результате сравнение опубликованных данных от разных производителей затруднено из-за использования разных методов измерения. На веб-сайте данных микрофонов собраны технические характеристики с изображениями, кривыми отклика и техническими данными от производителей микрофонов для каждого перечисленного в настоящее время микрофона и даже нескольких устаревших моделей, а также представлены данные для всех в одном общем формате для простоты сравнения. .[2]. Однако следует проявлять осторожность, делая какие-либо обоснованные выводы из этих или любых других опубликованных данных, если только не известно, что производитель предоставил спецификации в соответствии с IEC 60268-4.

А частотный отклик диаграмма отображает чувствительность микрофона в децибелы в диапазоне частот (обычно от 20 Гц до 20 кГц), как правило, для идеального звука по оси (звук поступает под углом 0 ° к капсуле). Частотная характеристика может быть изложена менее информативно в текстовом виде, например: «30 Гц – 16 кГц ± 3 дБ». Это интерпретируется как почти плоский, линейный график между указанными частотами с вариациями амплитуды не более чем на плюс или минус 3 дБ. Однако из этой информации нельзя определить, как гладкий; плавный есть вариации и в каких частях спектра они возникают. Обратите внимание, что часто используемые утверждения, такие как «20 Гц – 20 кГц», не имеют смысла без децибел допустимого отклонения. Частотная характеристика направленных микрофонов сильно зависит от расстояния от источника звука и геометрии источника звука. IEC 60268-4 определяет, что частотная характеристика должна измеряться в плоская прогрессивная волна условиях (очень далеко от источника), но это редко бывает практичным. Близкий разговор микрофоны могут быть измерены с разными источниками звука и расстояниями, но не существует стандарта и, следовательно, нет возможности сравнивать данные от разных моделей, если не описана методика измерения.

Собственный шум или эквивалентный ввод Уровень шума - это уровень звука, который создает такое же выходное напряжение, как и микрофон в отсутствие звука. Это самая низкая точка динамического диапазона микрофона, и это особенно важно, если вы хотите записывать тихие звуки. Мера часто указывается в дБ (А), который представляет собой эквивалентную громкость шума по шкале децибел, взвешенную по частоте для того, как ухо слышит, например: «15 дБА SPL» (SPL означает звуковое давление уровень относительно 20микропаскали ). Чем меньше число, тем лучше. Некоторые производители микрофонов указывают уровень шума, используя ITU-R 468 взвешивание шума, который более точно отражает то, как мы слышим шум, но дает цифру на 11–14 дБ выше. Тихий микрофон обычно измеряет уровень звукового давления 20 дБА или 32 дБ SPL по 468-взвешенному значению. Очень тихие микрофоны существуют в течение многих лет для специальных применений, таких как Brüel & Kjaer 4179, с уровнем шума около 0 дБ SPL. Недавно на рынке студий и развлечений были представлены микрофоны с низким уровнем шума, например, модели от Neumann и Ехал рекламируют уровни шума от 5 до 7 дБА. Обычно это достигается путем изменения частотной характеристики капсулы и электроники, что приводит к снижению шума внутри корпуса. А-взвешивание кривой, в то время как широкополосный шум может увеличиваться.

Максимальный уровень звукового давления, который может принять микрофон, измеряется для определенных значений полное гармоническое искажение (THD), обычно 0,5%. Такое количество искажений обычно не слышно,[нужна цитата ] так что можно безопасно использовать микрофон при этом SPL, не повредив записи. Пример: «142дБ SPL пик (при 0,5% THD) ». Чем выше значение, тем лучше, хотя микрофоны с очень высоким максимальным SPL также имеют более высокий собственный шум.

Уровень клиппирования является важным показателем максимально допустимого уровня, поскольку 1% THD, обычно указываемый при максимальном SPL, на самом деле является очень умеренным уровнем искажений, совершенно неслышимым, особенно на коротких высоких пиках. Отсечение намного слышнее. Для некоторых микрофонов уровень ограничения может быть намного выше максимального SPL.

Динамический диапазон микрофона - это разница в уровне звукового давления между минимальным уровнем шума и максимальным уровнем звукового давления. Если он указан сам по себе, например, «120 дБ», он передает значительно меньше информации, чем отдельные значения собственного шума и максимального звукового давления.

Чувствительность указывает, насколько хорошо микрофон преобразует акустическое давление в выходное напряжение. Высокочувствительный микрофон создает большее напряжение и поэтому требует меньшего усиления на микшере или записывающем устройстве. Это практическая проблема, но она не является прямым показателем качества микрофона, и на самом деле термин «чувствительность» употребляется неправильно, «усиление трансдукции», возможно, более значимо (или просто «выходной уровень»), потому что истинная чувствительность обычно установлен шумный этаж, а слишком большая «чувствительность» с точки зрения выходного уровня ставит под угрозу уровень ограничения. Есть две общие меры. (Предпочтительный) международный стандарт выражается в милливольтах на паскаль при 1 кГц. Более высокое значение указывает на большую чувствительность. Более старый американский метод относится к стандарту 1 В / Па и измеряется в простых децибелах, что дает отрицательное значение. Опять же, более высокое значение указывает на большую чувствительность, поэтому -60 дБ более чувствителен, чем -70 дБ.

Измерительные микрофоны

An AKG Конденсаторный микрофон C214 с ударное крепление

Некоторые микрофоны предназначены для тестирования громкоговорителей, измерения уровней шума и другой количественной оценки акустического восприятия. Это откалиброванные преобразователи, которые обычно поставляются с сертификатом калибровки, в котором указывается абсолютная чувствительность к частоте. Качество измерительных микрофонов часто обозначается с использованием обозначений «Класс 1», «Тип 2» и т. Д., Которые относятся не к характеристикам микрофона, а к измерители уровня звука.[57] Более полный стандарт[58] для описания характеристик микрофона измерения недавно был принят.

Измерительные микрофоны обычно представляют собой скалярные датчики давление; они демонстрируют всенаправленный отклик, ограниченный только профилем рассеяния их физических размеров. Интенсивность звука или измерения звуковой мощности требуют измерений градиента давления, которые обычно выполняются с использованием решеток по крайней мере из двух микрофонов или термоанемометры.

Калибровка

Основная статья: Калибровка измерительного микрофона

Чтобы провести научное измерение с помощью микрофона, необходимо знать его точную чувствительность (в вольт на паскаль ). Поскольку это может измениться в течение срока службы устройства, необходимо регулярно откалибровать измерительные микрофоны. Эту услугу предлагают некоторые производители микрофонов и независимые сертифицированные испытательные лаборатории. Все калибровка микрофона в конечном итоге прослеживается до первичные стандарты в национальном измерительном институте, таком как НПЛ в Великобритании, PTB в Германии и NIST в Соединенных Штатах, которые чаще всего калибруют с использованием первичного эталона взаимности. Измерительные микрофоны, откалиброванные с помощью этого метода, могут затем использоваться для калибровки других микрофонов с использованием методов сравнительной калибровки.

В зависимости от области применения измерительные микрофоны должны периодически проверяться (обычно каждый год или несколько месяцев) и после любого потенциально опасного события, например падения (большинство таких микрофонов поставляются в чехлах с пеной, чтобы снизить этот риск) или воздействия звуков за пределы допустимого уровня.

Массивы

Основная статья: Набор микрофонов

Набор микрофонов - это любое количество микрофонов, работающих в тандем. Есть много приложений:

Как правило, массив состоит из всенаправленных микрофонов, распределенных по периметр пространства, связанного с компьютер который записывает и интерпретирует результаты в согласованной форме.

Ветровые стекла

Микрофон со снятым лобовым стеклом.
Смотрите также: Поп-фильтр

Ветровые стекла (или лобовые стекла - термины взаимозаменяемы) обеспечивают метод уменьшения воздействия ветра на микрофоны. В то время как поп-экраны обеспечивают защиту от однонаправленных взрывов, поролоновые «шляпы» защищают решетку от ветра со всех сторон, а дирижабли / дирижабли / корзины полностью закрывают микрофон и защищают его корпус. Последнее важно, потому что, учитывая чрезвычайно низкочастотное содержание шума ветра, вибрация, вызываемая корпусом микрофона, может вносить существенный вклад в выходной шум.

Используемый экранирующий материал - проволочная сетка, ткань или поролон - имеет значительный акустический импеданс. Изменения давления воздуха с относительно низкой скоростью движения частиц, которые составляют звуковые волны, могут проходить с минимальным затуханием, но ветер с более высокой скоростью движения частиц сдерживается в гораздо большей степени. Увеличение толщины материала улучшает ослабление ветра, но также начинает ухудшать содержание высокочастотного звука. Это ограничивает практический размер простых экранов из пенопласта. В то время как пенопласт и проволочная сетка могут быть частично или полностью самонесущими, мягкие ткани и сетки требуют растягивания на каркасах или ламинирования более грубыми структурными элементами.

Поскольку весь шум ветра генерируется на первой поверхности, на которую попадает воздух, чем больше расстояние между периферией экрана и капсюлем микрофона, тем больше ослабление шума. Для экрана приблизительно сферической формы затухание увеличивается (приблизительно) на куб этого расстояния. Таким образом, большие щиты всегда намного эффективнее, чем маленькие.[59] С полной корзиной ветровых стекол имеется дополнительная камера высокого давления эффект, сначала объясняется Йорг Wuttke,[60] что для двухпортовых (градиент давления) микрофонов позволяет комбинации экран / микрофон действовать как акустический фильтр верхних частот.

Поскольку турбулентность на поверхности является источником шума ветра, снижение общей турбулентности может способствовать снижению шума. Успешно используются как аэродинамически гладкие поверхности, так и те, которые препятствуют образованию мощных вихрей. Исторически искусственный мех оказался очень полезным для этой цели, поскольку волокна создают микротурбулентность и бесшумно поглощают энергию. Если меховые волокна не покрываются ветром и дождем, они очень прозрачны с точки зрения акустики, но тканая или вязаная основа может дать значительное затухание. Как материал, он страдает тем, что его сложно производить с постоянством и поддерживать в первозданном состоянии на месте. Таким образом, есть интерес (DPA 5100, Rycote Cyclone) отказаться от его использования.[61]

Певица и диск поп-фильтр перед конденсаторным микрофоном с большой диафрагмой

В студии и на сцене поп-экраны и поролоновые экраны могут быть полезны из соображений гигиены и защиты микрофонов от слюны и пота. Они также могут быть полезными цветными идентами. На месте защитный кожух корзины может содержать подвесную систему для изоляции микрофона от ударов и шума.

Заявление об эффективности снижения шума ветра - неточная наука, поскольку эффект сильно зависит от частоты и, следовательно, от полосы пропускания микрофона и аудиоканала. На очень низких частотах (10–100 Гц), где существует значительная энергия ветра, важно снижение нагрузки, чтобы избежать перегрузки звуковой цепи, особенно на ранних этапах. Это может производить типичный «шумный» звук, связанный с ветром, который часто представляет собой слоговое приглушение звука из-за ограничения пика НЧ. На более высоких частотах - от 200 Гц до ~ 3 кГц - кривая звуковой чувствительности позволяет нам слышать эффект ветра как дополнение к нормальному минимальному уровню шума, даже если он имеет гораздо более низкое энергосодержание. Простые экраны могут снизить уровень шума ветра на 10 дБ; более качественные могут достичь снижения примерно на 50 дБ. Однако также следует указывать акустическую прозрачность, особенно на ВЧ, поскольку очень высокий уровень ослабления ветра может быть связан с очень приглушенным звуком.

  • Различные крышки микрофонов

  • Делаются две записи - дирижабль используется слева. Справа используется ветровое стекло с открытыми ячейками.

  • Ветровые стекла «дохлый кот» и «дохлый котенок». Мертвый котенок прикрывает стереомикрофон для зеркальной камеры. Разница в названии связана с размером корпуса.

Смотрите также

дальнейшее чтение

  • Корбетт, Ян. Mic It !: микрофоны, методы работы с микрофонами и их влияние на финальный микс. CRC Press, 2014.
  • Эргл, Джон. Микрофонная книга. Тейлор и Фрэнсис, 2004.

использованная литература

  1. ^ Циммер, Бен (29 июля 2010 г.). «Как следует сокращать слово« микрофон »?». Нью-Йорк Таймс. Получено 10 сентября 2010.
  2. ^ Монтгомери, Генри C (1959). «Усиление и высокая точность в греческом театре». Классический журнал. 54 (6): 242–245. JSTOR  3294133.
  3. ^ Маквей, Дэниел (2000). "Ранняя история телефона: 1664–1866: акустические эксперименты и акустические изобретения Роберта Гука". Архивировано из оригинал на 2003-09-03.
  4. ^ МакЛауд, Элизабет 1999 Александр Грэм Белл: изобретательная жизнь. Kids Can Press, Торонто
  5. ^ Пол Дж. Нахин (2002). Оливер Хевисайд: жизнь, работа и времена гения-электрика викторианской эпохи. JHU Press. п. 67. ISBN  9780801869099.
  6. ^ Боб Эстрайх. "Дэвид Эдвард Хьюз".
  7. ^ а б Huurdeman, Антон (2003). Всемирная история телекоммуникаций. Джон Вили и сыновья.
  8. ^ "Дэвид Хьюз". Получено 2012-12-17.
  9. ^ «Дэвид Эдвард Хьюз: концертинист и изобретатель» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) 31 декабря 2013 г.. Получено 2012-12-17.
  10. ^ «Краткая история микрофонов» (PDF). Получено 2012-12-17.
  11. ^ "Ли Де Форест - (1873–1961)". Международный журнал телевидения. 2011-01-17. Архивировано из оригинал на 2011-01-17. Получено 4 декабря, 2013.
  12. ^ Кори, Трой (21 января 2003 г.). ""Radio Boys "&" The SMART-DAAF BOYS"". Архивировано 21 января 2003 года.CS1 maint: неподходящий URL (ссылка на сайт)
  13. ^ Фейген, доктор медицины, История инженерии и науки в системе колокола: первые годы (1875–1925). Нью-Йорк: Bell Telephone Laboratories, 1975.
  14. ^ Хеннесси, Брайан 2005 Появление радиовещания в Великобритании Девон Саутерли
  15. ^ Магнитофон Маркони-Сайкса, получено 2018-06-18
  16. ^ Робджонс, Хью (2001). «Краткая история микрофонов» (PDF). Книга данных микрофона. Архивировано из оригинал (PDF) на 25.11.2010.
  17. ^ «1931 Гарри Ф. Олсон и Лес Андерсон, ленточный микрофон RCA, модель 44». Mix Magazine. 1 сентября 2006 г. Архивировано с оригинал на 2008-03-24. Получено 10 апреля 2013.
  18. ^ «История - эволюция аудио революции». Shure Americas. Архивировано из оригинал на 2012-09-15. Получено 13 апреля 2013.
  19. ^ "Bell Laboratories и развитие электрической записи". Stokowski.org (сайт Леопольда Стокски).
  20. ^ Институт Б.В. Амстердам, SAE. «Микрофоны». Практическое творческое медиаобразование. Получено 2014-03-07.
  21. ^ Sessler, G.M .; Уэст, Дж. Э. (1962). «Самосмещающийся конденсаторный микрофон с большой емкостью». Журнал Акустического общества Америки. 34 (11): 1787–1788. Bibcode:1962ASAJ ... 34.1787S. Дои:10.1121/1.1909130.
  22. ^ Ари Ван Рейн, Интегральные схемы для высокопроизводительных электретных микрофонов, National Semiconductor, архивировано с оригинал 19 августа 2010 г.
  23. ^ Пьеро Мальковати; Андреа Баскиротто (2018). «Эволюция интегрированных интерфейсов для микрофонов MEMS». Микромашины. 9 (7): 323. Дои:10.3390 / mi9070323. ЧВК  6082321. PMID  30424256.
  24. ^ AKG D 112 - Динамический микрофон с большой диафрагмой для басовых инструментов. "
  25. ^ «Местные фирмы играют на аккордах настоящих музыкальных новшеств». Массовые высокие технологии: журнал технологий Новой Англии. 8 февраля 2008 г.
  26. ^ "Микрофон Буде". Machine-History.com. Архивировано из оригинал на 2015-08-22. Получено 2009-12-09.
  27. ^ Сын С. Ли, Вун Соб Ли (2008). «Пьезоэлектрический микрофон на круговой диафрагме» (PDF). Датчики и исполнительные механизмы A. 144 (2): 367–373. Дои:10.1016 / j.sna.2008.02.001. Архивировано 17 июля 2013 года.. Получено 3 марта 2017.CS1 maint: BOT: статус исходного URL-адреса неизвестен (ссылка на сайт)
  28. ^ Парицкий, Александр; Коц, А. (1997). Шладов, Ицхак; Ротман, Стэнли Р. (ред.). «Волоконно-оптический микрофон как реализация оптоволоконных датчиков позиционирования». Proc. Международного общества оптической инженерии (SPIE). 10-е совещание по оптической инженерии в Израиле. 3110: 408–409. Bibcode:1997SPIE.3110..408P. Дои:10.1117/12.281371. S2CID  110338054.
  29. ^ Патент США 6462808, Александр Парицкий и Александр Коц, "Малый оптический микрофон / сенсор", выпущено 8 октября 2002 г. 
  30. ^ Карлин, Сьюзен. «Пример из практики: теперь вы меня слышите?». rt-image.com. Издательство Valley Forge. Архивировано из оригинал на 2011-07-15.
  31. ^ Гулд, Берг. «Микрофоны для компьютера». Верхняя передача микрофона. Получено 3 марта 2017.
  32. ^ «Cirrus Logic завершает приобретение Wolfson Microelectronics». MarketWatch.com. Получено 2014-08-21.
  33. ^ «Аналоговые устройства будут продавать линейку микрофонов компании InvenSense». MarketWatch.com. Получено 2015-11-27.
  34. ^ «Ноулз завершает приобретение подразделения звуковых решений NXP». Ноулз. Получено 2011-07-05.
  35. ^ «Микрофон MEMS пострадает из-за спада на рынке смартфонов». В поисках альфы. Получено 2009-08-23.
  36. ^ «OMRON начинает массовое производство и поставку микросхемы акустического датчика MEMS - первого в мире датчика MEMS, способного определять нижний предел человеческих звуковых частот». Получено 2009-11-24.
  37. ^ "МЭМС-микрофоны захватывают власть". EETimes.
  38. ^ Ларри Крейн (июль 2004 г.). "Yamaha SubKick - Обзор магнитофона". Лента Op. Получено 2020-06-12.
  39. ^ Бартлетт, Брюс. «Как работает кардиоидный микрофон».
  40. ^ «Понимание различных диаграмм направленности микрофона». 28 марта 2015 г.. Получено 2020-04-04.
  41. ^ Типы микрофонов. Микспич.
  42. ^ История и развитие микрофона. В архиве 2008-07-04 в Wayback Machine Ллойд Микрофон Классика.
  43. ^ Эффект близости. В архиве 2007-10-16 на Wayback Machine Джефф Мартин, Введение в звукозапись.
  44. ^ «История - эволюция аудио революции». Shure. Получено 2013-07-30.
  45. ^ Рейберн, Рэй А. (2012-11-12). Книга Eargle «Микрофоны: от моно к стерео и объемному звучанию» - руководство по дизайну и применению микрофона. Тейлор и Фрэнсис. ISBN  9781136118135.
  46. ^ а б Сена, Э. Де; Hacihabiboglu, H .; Цветкович, З. (январь 2012 г.). «О разработке и внедрении дифференциальных микрофонов высшего порядка - журналы и журнал IEEE». Транзакции IEEE по обработке звука, речи и языка. 20 (1): 162–174. Дои:10.1109 / TASL.2011.2159204. S2CID  206602089.
  47. ^ а б Бенести, Джейкоб; Цзиндун, Чен (2012-10-23). Исследование и разработка дифференциальных микрофонных решеток. Springer Science & Business Media. ISBN  9783642337529.
  48. ^ Дэйв Бернерс (декабрь 2005 г.). "Спросите врачей: физика мид-сайда (МС)". Universal Audio WebZine. Универсальное аудио. Получено 2013-07-30.
  49. ^ «Диаграммы направленности микрофонов». Получено 2013-07-30.
  50. ^ (США 4361736 )
  51. ^ Корона Аудио. Tech Made Simple. Микрофон Crown Differoid В архиве 10 мая 2012 г. Wayback Machine
  52. ^ «Мультимедийные системы - Руководство по рекомендуемым характеристикам аналоговых интерфейсов для достижения функциональной совместимости». Webstore.iec.ch. МЭК 61938: 2013. Получено 3 марта 2017.
  53. ^ а б Международный стандарт IEC 60268-4
  54. ^ Эргл, Джон; Крис Форман (2002). Аудиотехника для усиления звука. Милуоки: Хэл Леонард Корпорейшн. п. 66. ISBN  978-0-634-04355-0.
  55. ^ [1] В архиве 28 апреля 2010 г. Wayback Machine
  56. ^ Робертсон, A.E .: "Микрофоны" Illiffe Press для BBC, 1951–1963
  57. ^ Стандарт МЭК 61672 и ANSI S1.4
  58. ^ IEC 61094
  59. ^ "Проклятые микрофоны" (PDF).
  60. ^ "Йорг Вуттке - Микрофоны и ветер".
  61. ^ "Rycote Cyclone".

внешние ссылки