- •Глава 4 Техника радиовещания
- •Глава 4 Техника радиовещания
- •4.2 Цифровые микшерные пульты
- •4.3 Микрофоны
- •Глава 4 Техника радиовещания
- •4.5 Радиомикрофоны
- •Глава 4 Техника радиовещания
- •4.8 Устройства частотной обработки
- •4.9 Аппаратура записи и воспроизведения звука
- •4.10 Цифровая звукозапись
- •4.10.1 Цифровая магнитная звукозапись
- •4.10.2 Оптические и магнитооптические рекордеры
- •4.10.3 Оптические проигрыватели и рекордеры
- •4.10.4 Магнитооптические рекордеры
- •4.10.5 Система мини-диск
- •4.10.6 Электронные рекордеры
- •4.11 Совместимость радиовещательного оборудования
- •4.10.6 Электронные рекордеры
- •4.11 Совместимость радиовещательного оборудования
- •Глава 5 Автоматизация радиовещания
- •5.1 Основные требования к системам автоматизации
4.3 Микрофоны
Микрофон - это устройство, преобразующее звуковые колебания воздушной среды в электрический сигнал. Для того, чтобы качество звука не ухудшалось микрофоном, он должен удовлетворять следующим основным требованиям: уровень сигнала должен в необходимой мере превышать уровень собственных электрических шумов, вызываемых электроникой и конструкцией; неизбежные линейные и нелинейные искажения не должны превышать критических значений; одинаковая передача всего частотного диапазона звука источника. Выполнить эти требования в полной мере в одной конструкции микрофона не удается, поэтому выпускается большое число микрофонов, специализированных на выполнении определенного вида задач. На качество звучания, в конечном счете, определяющее влияние оказывают выбор подходящего микрофона и его размещение относительно источника. В связи с этим очень важно понимание того, какой тип микрофона необходимо применять в каждом конкретном случае. Для правильного же выбора микрофона необходимо иметь четкое представление о типах микрофонов, об их основных характеристиках, об особенностях применения, связанных с принципами действия и конструкцией.
способу преобразования звуко-колебаний воздуха в электрический сигнал микрофоны делятся на следующие основные типы: электродинамические, конденсаторные, пье-нсгрические, угольные. В пределах каждого типа микрофоны различаются по устройству акустико-электрического преобразователя, по pern преобразователя на звуковое !ние или его градиент. Такие различия приводят к зависимости характеристик микрофона от направления распространения звуковой волны. Поэтомуу существует много типов микрофонов, каждый из которых обладает определенными характеристиками Ценностями, полезными в определенных условиях применения.
Глава 4 Техника радиовещания
Микрофон SM7 фирмы SHURE
В радиовещании в основном используются электродинамические и конденсаторные микрофоны [2,19]. Принцип действия электродинамического (или динамического) микрофона состоит в том, что звуковая волна приводит в движение диафрагму с прикрепленной катушкой. Катушка находится в магнитном поле постоянного магнита, и при движении в аводится электродвижущая сила (э.д.с.) индукции, пропорционально перемещению диафрагмы. На выходе микрофона получается сигнал очень низкого уровня, поэтому его нужно усиливать до уровней, с которыми работают устройства обработки сигнала.
•Ж- электродинамическим микрофонам также относятся ленточные, в рых диафрагма в виде металлической ленты колеблется в поле по-нного магнита. Наводимая на концах ленты э.д.с. и является полез-iсигналом.
В конденсаторном микрофоне диафрагма является одной из пластин конденсатора. При колебаниях диафрагмы изменяется емкость конденсора, и если к этому конденсатору приложить напряжение, то в элект-Вмеской цепи возникнут колебания тока. Колебания тока создают на резонаторе напряжение, пропорциональное перемещению диафрагмы. Затем это напряжение усиливается до определенного уровня. Внутреннее сопрротивление акустико-электрического преобразователя конденсаторное микрофона (так называемого капсюля) сильно зависит от частоты и в области низких частот составляет порядка 100 МОм, поэтому его нужно согласовывать с входным сопротивлением микрофонного усилителя. Поскольку сигнал конденсаторного преобразователя чрезвычайно слабый, Атай микрофон всегда имеет встроенный предусилитель, для которого необходим источник питания. Обычно для питания конденсаторного микрофона применяют источник постоянного напряжения 48 В, встроенный в микшерный пульт. Напряжение питания подается по тому же кабелю, что и полезный сигнал. Поэтому такая схема питания получила название «фантомного» (т.е. скрытого) источника питания. Для защиты преду-силителя от перегрузки напряжение фантомного источника плавно нарастает при включении и также плавно уменьшается при выключении.
Разновидностью конденсаторных микрофонов являются электретные, в которых одна или обе пластины конденсатора делаются из электрета - материала, сохраняющего электрическую поляризацию после действия электрического поля. При колебаниях диафрагмы на пластинах возникает электрическое напряжение, пропорциональное перемещению диафрагмы.
Исходя из назначения микрофона - воспринимать звуковые колебания - основным свойством микрофона является чувствительность, оцениваемая по величине напряжения, создаваемого микрофоном при воздействии определенного звукового давления. Чувствительность определяется конструкцией и принципом действия, зависит от направления звуковой волны относительно оси микрофона. Эта так называемая направленность микрофона имеет большое значение при использовании его на практике. Дело в том, что при многомикрофонной записи, например, оркестра, необходимо добиваться максимально возможного разделения сигналов от различных микрофонов, чтобы управлять уровнем и тембром отдельных инструментов. И здесь желательно, чтобы каждый микрофон «слышал» только «свой» инструмент. Направленность микрофона выражается через характеристику направленности - зависимость чувствительности от угла между рабочей осью микрофона и направлением на источник при определенной частоте звука. Если эту зависимость представить в полярных координатах, получим диаграмму направленности. Направленность микрофона зависит от частоты звука. На высоких частотах, когда размеры микрофона соизмеримы с длиной звуковой волны, направленность становится более выраженной.
Капсюли, по принципу преобразования энергии звуковой волны в механические перемещения диафрагмы, делятся на приемники давления и приемники градиента давления.
В микрофоне - приемнике давления колебания диафрагмы пропорциональны звуковому давлению, вызываемому звуковой волной. Устройство приемника таково, что силы звукового давления действуют только на одну сторону диафрагмы. Если размеры приемника давления малы по сравнению с длиной звуковой волны, то давление не зависит от угла падения и диафрагма направленности в плоскости имеет форму круга, т.е. такой микрофон ненаправленный.
В приемнике градиента давления перемещение диафрагмы пропорционально разности давления по обеим сторонам диафрагмы. Прием-
эадиента давления принципиально направленный, поскольку мак-пьный перепад давлений создается волной, распространяющейся (ть оси диафрагмы, а минимальный - волной, распространяющейся
зндикулярно оси диафрагмы.
В зависимости от вида диаграммы направленности все микрофоны тся на ненаправленные, двусторонненаправленные, односторонненаправленные, остронаправленные («пушки»). Ненаправленный мйк-эн характеризуется тем, что его чувствительность не зависит от на-пения прихода звуковой волны. Такой микрофон применяют в тех паях, когда нужно воспринимать звуки со всех сторон, например, при еде за круглым столом. Диаграмма направленности ненаправленного микрофона близка (но не полностью) к окружности, двусторонненаправленного микрофона чувствительность максимальна в осевом направлении и противоположном ему, а минимальна в поперечном направлении. Диаграмма направленности такого микрофон имеет вид «восьмерки», и он характеризуется рабочей зоной около °, в пределах которой обеспечиваются приемлемые качественные параметры. Микрофон с приемником градиента давления обладает Внно таковыми свойствами направленности. Необходимо отметить, Характеристика направленности двусторонненаправленного микрофона (как и любого направленного микрофона) зависит от частоты зву->а именно, чем выше частота, тем направленность микрофона прояв-гся сильнее.
Односторонненаправленные микрофоны характеризуются значительно большей чувствительностью в фронтальной области, чем в тыльной, в зависимости от вида диаграммы направленности однонаправленные микрофоны делятся на кардиоидные и суперкардиоидные. Кардиоидные диаграмма получается в результате сложения ненаправленной диаграммы и «восьмерки». Максимум чувствительности кардиоидного микрофона приходится на осевое направление, а сигналы с других направлений ослабляются тем сильнее, чем больше от оси отстоит источник звука. Чем выше частота, тем в большей степени проявляется такая зависимость. Чувствительность с тыльной стороны хотя и не равна нулю, а минимальна. Такая особенность угловой зависимости чувствительности кардиоидного микрофона позволяет использовать его в тех случаях, когда необходимо выделить один источник звука из некоторой группы. Низкая чувствительность с тыльной стороны дает также возможность реньшать обратную акустическую связь, если тыльной стороной направлять микрофон на громкоговоритель. Р Диаграмма направленности суперкардиоидного микрофона отличается в основном меньшей чувствительностью с тыльной стороны микрофона и наличием двух точек минимума чувствительности. Другими словами, свойства направленности суперкардиоидного микрофона вы-кены в большей степени, чем у кардиоидного.
Среди однонаправленных микрофонов выделяют остронаправленные или гиперкардиоидные. Такие микрофоны практически чувствительны только для источников звука, расположенных по оси микрофона. Для усиления эффекта направленности и получения «микрофона- пушки» используют различные конструкции интерференционных труб. Эти микрофоны применяются в случаях, когда нет возможности поднести обычный микрофон ближе к источнику.
Качество любого микрофона определяется прежде всего конструкцией диафрагмы. Она должна быть очень тонкой, легкой и жесткой. Только тогда она может достаточно быстро реагировать на все акустические импульсы без возбуждения посторонних колебаний. В динамическом микрофоне важными являются конструкции магнитной системы и катушки. Стремление повысить уровень сигнала за счет увеличения энергии магнитов может привести к металлическому, ненатуральному звуку.
Конденсаторные микрофоны подразделяются на микрофоны с малой и большой диафрагмой. Большая диафрагма повышает качество микрофона, но и усложняет его конструкцию, а, значит, они более дорогие, поэтому их используют только для студийной работы.
При всей простоте принципов работы микрофон представляет собой сложное и высокотехнологичное изделие, а поэтому характеризуется многими параметрами. Не вдаваясь в подробности, рассмотрим только те из них, которые в основном определяют качество звукопередачи и которые нужно принимать во внимание при выборе микрофона для конкретных задач [20]. Итак, к основным качественным параметрам относятся: частотная характеристика, уровень предельного звукового давления, уровень собственных шумов, нелинейные искажения, выходное сопротивление, номинальное сопротивление нагрузки.
Чувствительность микрофона определяется как отношение напряжения на выходе микрофона U к звуковому давлению Р на частоте 1 кГц и выражается в единицах мВ/Па. В общем случае чувствительность зависит от характера распространения волны. Например, если на микрофон приходят прямая и отраженная стенами студии волна, результат будет другим, если была бы только падающая волна. Поэтому вводится уточнение по условиям измерения. Если эти условия таковы, что на формирование звукового поля не сказываются отражения от окружающих поверхностей (в том числе и от микрофона), то чувствительность, измеренная в этих условиях, называется чувствительностью по свободному полю Е = U / Р. Эта величина обычно и имеется в виду, когда говорят о чувствительности микрофона. В ряде случаев удобно пользоваться относительной величиной чувствительности, так называемым уровнем чувствительности N, равным двадцати десятичных логарифмов отношения чувствительности к условной чувствительности, равной 1 В/Па.
Уровень наводимого сигнала микрофона зависит от сопротивления нагрузки, поэтому вводится понятие стандартного уровня чувствительности определяющего мощность, развиваемую микрофоном в номинальной нагрузке при звуковом давлении 1 Па. Стандартный уровень чувствительности для удобства представляется выражением в децибелах отношения напряжения, развиваемого на номинальном сопротивлении нагрузки при звуковом давлении 1 Па, к напряжению, соответствуют мощности 1 мВт. В паспортных данных на микрофон обычно приводятся чувствительность по свободному полю в осевом направлении I работе на согласованную нагрузку.
Частотная характеристика микрофона, представленная в виде зависимости уровня сигнала от частоты, отражает его свойство передавать i различной частоты. Если сигналы разных частот передаются одинаково, то частотная характеристика равномерная и графически изображается прямой, параллельной оси частот. Реальная частотная характеристика микрофона всегда неравномерная и отклоняется от прямой. Чем больше это отклонение, тем хуже. Частотная характеристика микрофонов выражается тремя параметрами: номинальный диапазон частот, эффективно воспроизводимый диапазон частот, неравномерность частотной характеристики. Первый параметр представляет собой диапазон частот, в пределах которого определяют характеристики микрофона, второй - разность максимальной и минимальной чувствительности в номинальном диапазоне частот, а третий - частотный диапазон, в пределах которого неравномерность частотной характеристики равна «установленному в документации на микрофон значению, предельный уровень звукового давления равен уровню звукового зния, при котором коэффициент гармонических искажений микро-i не превышает установленной величины (обычно 0,5%). Микрофон как электромеханическое устройство является источником шума. Для оценки этого шума вводится параметр «уровень собственных шумов». Он равен уровню эквивалентного звукового давления, вызывающего на выходе микрофона напряжение, эквивалентно напряжению от воздействия внешних помех при отсутствии звукового поля. Уместно напомнить, что уровень звукового давления определяется по отношению к звуковому давлению, равному Ро = 2 ■ 105 Щт.е. 1_ш = 20 1д(Рш/Р0).
Разность между предельным уровнем давления и уровнем собственных шумов называется динамическим диапазоном микрофона. Нелинейные искажения микрофона оцениваются по коэффициенту Нелинейных искажений. Как правило, его не приводят в рекламных проспектах и документации, поскольку он мал. Действительно, даже при максимально допустимом давлении он не превышает 0,5 %. - В определенном смысле микрофон является генератором электрического сигнала, и для неискаженной его передачи к устройствам звукового тракта необходимо выполнять известные условия согласования генератора с нагрузкой, а именно, если выходное сопротивление источника равно сопротивлению нагрузки, то устанавливается режим согласованного включения источника и нагрузки, при котором на нагрузке выделяется максимальная мощность. Если сопротивление нагрузки значительно превышает выходное сопротивление источника, то имеет место режим холостого хода, при котором напряжение на нагрузке почти в 2 раза больше, чем в случае согласованной нагрузки. При низком уровне сигнала микрофона предпочтительнее режим холостого хода. Поэтому для получения наилучшего режима включения микрофона, необходимо нормировать выходное сопротивление микрофона и номинальное сопротивление нагрузки. В общем случае выходное сопротивление Rj микрофона зависит от частоты, поэтому за выходное сопротивление принимается модуль комплексного сопротивления на частоте 1 кГц. За номинальное сопротивление нагрузки RH принимается такое сопротивление нагрузки, при котором обеспечивается наилучший режим работы. Обычно рекомендуется, чтобы RH в 3-5 раз превышало R,.
В зависимости от назначения и конструктивного исполнения существует много моделей микрофонов: ручные, закрепленные на стойках и растяжках, петличные, настольные. Ручные микрофоны обычно однонаправленные, причем многие модели микрофонов имеют переключаемые диаграммы направленности, различные фильтры, дискретный аттенюатор на 10-20 дБ, а также выключатели. Особенно высококачественные микрофоны подвешиваются на упругих растяжках для изоляции акустических помех, возникающих от стойки или пола.
Петличные микрофоны имеют очень малые размеры, высокочувствительны и крепятся на одежде с помощью зажима. Они обычно ненаправленные, содержат фильтр низких частот для уменьшения помех от одежды.
По назначению микрофоны делятся на монофонические и стереофонические. Конструктивно стереофонический микрофон состоит из двух одинаковых направленных микрофонов, расположенных друг под другом, а их оси составляют острый угол.
Завершая обзор моделей микрофонов, следует рассмотреть так называемые цифровые и ламповые. Под цифровым понимается микрофон со встроенным аналого-цифровым преобразователем, а под ламповым - микрофон с ламповым предусилителем. Каких-либо явных преимуществ по сравнению с обычными указанные микрофоны не имеют.
Для того чтобы иметь представление об уровне современных микрофонов, рассмотрим основные их параметры. Самыми качественными считаются конденсаторные, хотя количественные значения параметров динамических и конденсаторных микрофонов близки [21]. Номинальный диапазон частот - 10 Гц - 25 кГц, чувствительность - несколько мВ/Па, предельный уровень звукового давления - более 140 дБ, уровень собственных шумов достигает 10 дБ. Выходное сопротивление у всех микрофонов различное и изменяется в довольно широких пределах - от нескольких десятков до сотен Ом.
Учет свойств микрофонов при их использовании
Области применения микрофонов в радиовещании можно условно разделить на три группы: журналистика, или «живые» передачи, студийная звукозапись, звукоусиление.
Прежде чем описывать специфику каждой группы, необходимо обратить внимание на разницу между микрофоном и человеческим ухом. Эти чия касаются частотной характеристики, степени направленности главное, человеческий слух имеет особые психоакустические свойства. В частности, человек может на фоне мешающих помех хорошо воспринимать речь того человека, на которого направлено его внимание. Получается как бы фильтрация помех мозгом человека. Микрофон же преобразует в электрический сигнал все звуковые колебания. Поэтому при любом использовании микрофона необходимо создавать условия, чтобы на микрофон попадали в основном нужные звуки, это достигается использованием направленных микрофонов. Отсюда следует иметь в виду, что при смещении источника в сторону от микрофона волны не всех частот ослабляются в равной мере: высокие частоты ослабляются сильнее низких. В результате звук от внеосе- источника не только ослабляется, но и теряется его насыщенность ими частотами, т.е. изменяется тембр.
Качество звукопередачи микрофона заметное влияние оказывает влияние от источника до микрофона. Чем ближе источник к микрофону тем более подчеркиваются его низкие частоты, появляется «бубне-призвуки. Это так называемый эффект близости. По этой причине юны имеют встроенные фильтры для смягчения эффекта близос-коррекции частотной характеристики под конкретный источник, микрофоны характеризуются очень широким динамическим диапазона (более 100 дБ), поэтому возможны перегрузки усилителей звукового тракта. Чтобы избежать этого, микрофоны имеют дискретные ат-
оры.
звукозаписи и звукоусилении широко применяется многомикрофонный способ, когда звук одного источника записывается или воспринимается несколькими микрофонами. Основные преимущества такого в том, что за счет временных задержек в звуковой картине бо-но отражаются акустические свойства студии, в которой прохо-шись или трансляция. Однако при этом нужно иметь в виду, что иная задержка может быть такой, что сигналы двух микрофонов ся в противофазе и получится не улучшение, а ухудшение звука, ить противофазность микрофонов можно либо коммутацией фазы 'о из микрофонов, либо путем их надлежащей расстановки. Вопрос о выборе микрофона для определенной задачи неоднозначна - в ряде случаев достаточно руководствоваться стандартными рекомендациями по применению микрофона. Но чаще всего при выборе микрофона нужно учитывать ряд факторов: акустику помещения, пространственное расположение источников, уровень звукового давления и др. Учет этих факторов и опытная проверка различных вариантов позволяют получить хороший результат. В конкретной студии каждое из рассмотренных свойств может стать определяющим, ограничивая или даже диктуя выбор микрофона.