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-солебаний воздуха в электричес-|сигнал микрофоны делятся на 1ующие основные типы: электро-мческие, конденсаторные, пье-нсгрические, угольные. В преде-каждого типа микрофоны разли-;я по устройству акустико-электрического преобразователя, по pe­rn преобразователя на звуковое !ние или его градиент. Такие раз-1Я приводят к зависимости харак-1стик микрофона от направления |ространения звуковой волны. 1му 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 внсатора. 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. За-^•М 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, односторон-аправленные, 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 Р_о = 2 ■ 10⁵ Щт.е. 1__ш = 20 1д(Р_ш/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 R_j микрофона зависит от частоты, поэтому за выходное сопротивление принимается модуль комплексного сопротивления на частоте 1 кГц. За номинальное сопротивление нагрузки R_H принимается такое сопротив­ление нагрузки, при котором обеспечивается наилучший режим рабо­ты. Обычно рекомендуется, чтобы R_H 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.