Глава III. Электроакустические приборы

§ 16. Микрофоны

Микрофоны служат для преобразования энергии звуковых коле­баний в электрический ток звуковой чистоты. Их широко применяют в технике проводной и радиосвязи, радиовещания, телевидении, ап­паратуре звукозаписи.

Микрофоны характеризуются чувствительностью, -диапазоном частот и неравномерностью частотной характеристики в этом диа­пазоне, характеристикой направленности.

Чувствительность определяется отношением напряжения, раз­виваемого микрофоном на его номинальном сопротивлении нагрузи»,

к звуковому давлению, воздействующему на чувствительный элемечг микрофона, и измеряется в вольтах (или милливольтах) на паска ль (В/Па или мВ/Па).

Рис. 23. Характеристики направленности микрофонов: а — круг, б — восьмерка, в — кардиоида, г — суперкардиойда

Рис. 24. Электродинамический катушечный (а, б) и ленточный (в, г) микрофоны:

1 — звуковая катушка, 2 — диафрагма, 3 — зазор, 4 — . магнйтопровод, 5 — маг­нит, 6 — полюсный наконечник, 7 — гофрированный воротник, 8 — изолирую­щие перемычки, 9 — гофрированнай лента

Частотная характеристика выражает зависимость чувствитель­ности микрофона от частоты на его акустической (рабочей) оси. Не­равномерность частотной характеристики определяется отношением максимального значения чувствительности к минимальному в преде­лах номинального диапазона частот и измеряется в децибелах.

Характеристика (диаграмма) направленности выражает зависи­мость (в полярных координатах) чувствительности на данной час­тоте от угла между акустической (рабочей) осью и направлением прихода воздействующего на микрофон звука. Эта характеристика зависит от устройства звукоприемной части микрофона. Микрофоны, у которых звуковая волна может воздействовать только на одну сторону подвижной системы (диафрагмы), не обладают резко вы­раженной направленностью и имеют, особенно в области низших частот, круговую характеристику направленности (рис. 23, а). Мик­рофоны, у которых диафрагма открыта с двух сторон (с фронта и тыла), реагируют на разность звуковых давлений, возникающих по обе стороны диафрагмы. Они имеют диаграмму направленности в виде восьмерки (рис. 23, б) и обладают двусторонней направлен­ностью. Для получения острой направленности действия используют комбинированные микрофоны, составленные из двух (направленного и ненаправленного). Комбинированные микрофоны позволяют полу­чить однонаправленную диаграмму в виде кардиоиды (рис. 23, в) или суперкардиоиды (рис. 23, г). Эти микрофоны обеспечивают вы­деление полезного сигнала при повышенном уровне шумов окружаю­щей среды.

По принципу действия (способу преобразования звукового сиг­нала) микрофоны подразделяют на электродинамические (катушеч­ные и ленточные), электростатические (конденсаторные), пьезоэлек­трические, электромагнитные и угольные. Электродинамические и электростатические микрофоны широко применяют в профессиональ­ных установках высококачественного звукоусиления, радиовещания, телевидения, а электромагнитные, пьезоэлектрические и угольные — в простейших звукоусилительных установках (мегафонах) и уст­ройствах телефонной и диспетчерской связи. Рассмотрим первые два вида микрофонов.

В электродинамических катушечных микрофонах МД подвижная диафрагма 2 соединена со звуковой катушкой 1, которая расположена в зазоре 3 магнитной системы микрофона (рис. 24, а, б). Под воздействием звуковых колебаний среды диа­фрагма вместе со звуковой катушкой совершает возвратно-поступа­тельное движение в направлении рабочей оси микрофона. В резуль­тате взаимодействия проводников катушки с магнитным полем стержневого 5 (кернового) или кольцевого магнита на выводах ка­тушки появляется эдс звуковой частоты.

Диафрагма катушечных микрофонов выполняется из жесткого материала (тонкой пластмассы, специальной бумаги, пропитанной лаком). Плоские края диафрагмы прикреплены черев эластичный гофрированный воротник 7 к корпусу или магнитной системе микро­фона. Эластичность гофрированного воротника обеспечивает под­вижность диафрагмы со звуковой катушкой.

Звуковая катушка наматывается изолированным медным или алюминиевым проводом 00,03 — 0,05 мм. Кольцевые (трубчатые) или стержневые (керновые) магниты 5 катушечных микрофонов из­готовляют из высококоэрцитивных сплавов стали с добавлением ме­ди, никеля, титана и снабжают магнитопроводами 4 из мягких ста­лей, обладающих небольшим магнитным сопротивлением.

В корпусе или подставках некоторых микрофонов устанавлива­ют выходные трансформаторы, обеспечивающие лучшее согласова­ние с нагрузкой, особенно при подключении микрофона к усилителю с большим входным сопротивлением.

Рис, 25. Конденсаторный микро­фон:

а — общий вид, б — схема включения

Электродинамические ленточные микрофоны МЛ вместо звуковой катушки имеют тонкую (2 мкм) гофрированную ме­таллическую (обычно алюминиевую) ленту 9 (рис. 24, в, г), которая движется в магнитном поле. Диафрагма в микрофонах отсутствует, а магнитный зазор 3 не кольцевой, а линейный. В ленте возникает переменная эдс, которая подводится к первичной обмотке микро­фонного трансформатора. Поскольку сопротивление ленты мало (около 0,5 Ом), в ленточных микрофонах используют повышающий выходной трансформатор. Эти микрофоны характеризуются более естественным и мягким звучанием и, несмотря на ма­лую надежность, широко при­меняются в студиях и концерт­ных залах.

Конденсаторный микрофон (рис. 25, а) пред­ставляет собой плоский конден­сатор (звукоприемный кап­сюль), у которого одна из об­кладок (мембрана) подвижная. Под воздействием звуковых ко­лебаний изменяется емкость конденсатора. Чтобы эти изме­нения превратить в переменный ток звуковой частоты, на об­кладки конденсаторного микро­фона цодают постоянное на­пряжение (рис. 25,6), Звуко­приемный капсюль конден­саторного микрофона имеет одну подвижную обкладку из металли­ческой фольги толщиной от 2 до 30 мкм или из тонкой (3 — 6 мкм) металлизированной полимерной пленки. Другой (неподвижной) об­кладкой капсюля служит массивная металлическая пластина (база Б). Расстояние между обкладками 20 — 40 мкм. В последнее время базу стали выполнять из радиокерамики или стеклопластика с ме­таллизацией поверхности, обращенной к мембране. База имеет от­верстия, расположенные под мембраной М. Эти отверстия определя­ют величину демпфирования мембраны, а следовательно, и частот­ную характеристику капсюля.

В цепь, питания последовательно с микрофоном включается на­грузочный резистор R_н. При уменьшении емкости конденсатора кап­сюля под воздействием звуковых колебаний заряд на его обкладках уменьшается, а при увеличении емкости — возрастает. Изменения заряда вызывают переменный ток в цепи, а на нагрузочном резисто­ре R_н возникает переменное напряжение, которое затем подают на вход микрофонного усилителя. Емкость капсюля микрофона состав­ляет от единиц до десятков пикофарад, а диапазон рабочих частот от 20 — 30 Гц до 20 — 50 кГц За счет отверстий в базе мембрана вос­принимает звуковые волны с двух сторон, поэтому микрофон приоб­ретает направленность восприятия.

Таблица 49

Микрофон	Номинальный диапазон частот, Ги	Чувства­тельность (f=1000 ГЦ). мВ/Па	Неравномер­ность час­тотной харак­теристики, дБ	Средний перепад чувстви­тельности, «фронт — тыл», дБ	Выходное сопротивле­ние, Ом	Размеры*, мм	Масса*, г
МК-12	50 — 15 000	11	9	20	200±50	021X22/89X156X272	120/2220
МК-ИМ	50 — 15 000	7	8	15	250±50	040X215/272X156X89	270/3000
МК-15	50 — 15000	5,5	12	10	200±50	58Х58Х70/89Х X 156X272	210/2200
МКЭ-2	50 — 15000	1,5	15	15	—
МКЭ-3	50 — 15000	3,5	10	15	—	021X15®	140
МЛ- 19	50 — 15 000	2,0	14	17	250±50	014X22	17
МД-52А МД-52Б	50 — 15 000	1.2	12	12	100±20	41X50X140	650
МД-52Б-СН	50 — 15 000	1.3	12	12	100±20	032X114	160, 200
МД-63, МД-63Р	60 — 15000	1,1	20	—	250±50	325X270X190	1000
МД-64А	100 — 12000	1,0	12	12	250±50	022X68	125,9
МД-66, МД-66А	100 — 10000	2,0	20	12	180±20	033X121	200
МД-200	100 — 10000	1,5	12	12	250±50	033X116	170

* В числителе указаны размеры и масса микрофона, в знаменателе — источника питания.

Рис. 26. Малогабаритные го­ловки громкоговорителей с маг­нитной системой:

а — открытой, б — закрытой

Преимуществами конденса­торных микрофонов являются высокая чувствительность, рав­номерная частотная характе­ристика чувствительности, ши­рокий диапазон рабочих частот. Электретные мик­рофоны МКЭ представляют собой разновидность конденса­торных. Они не требуют для работы поляризующего напря­жения. На одну обкладку этих микрофонов наносят слой элек­трета с постоянным электриче­ским зарядом, обеспечивающим поле, соответствующее поляри­зующему напряжению до 100 В. Заряд сохраняется около 30 лет. Электретные микрофоны де­шевле обычных конденсаторных и весьма перспективны в бытовой аппаратуре магнитной записи. В зависимости от конструкции кон­денсаторные микрофоны могут быть ненаправленными, односторонне направленными и двусторонне направленными. Основные параметры выпускаемых электродинамических и конденсаторных микрофонов приведены в табл. 49.

Микрофон МК-12 — односторонне направленный с кардиоидной характеристикой направленности, МК-14М имеет три характеристики направленности (кардиоиду в вертикальной плоскости, круг, коси­нусоиду), электретный МКЭ-2 — односторонне направленный, а МКЭ-3 — ненаправленный, электродинамические МД-63, МД-63Р — ненаправленные, а МД-52А, МД-52Б, МД-64А, МД-66, МД-66А и МД-200 — односторонне направленные. Микрофон МД-52Б-СН — стереофонический, представляет собой систему из двух монофониче­ских односторонне направленных микрофонов МД-52Б. Микрофон МД-63Р используется в комплекте с радиомикрофоном.