Электретные и конденсаторные микрофоны

Хотя угольные микрофоны дают удовлетворительное качество речи, в технике идет постоянное совершенствование работы микрофонов на других физических основах. В современных телефонных аппаратах широко применяются конденсаторные и электретные микрофоны [1.24], которые имеют повышенные электроакустические и технические характеристики:

• широкий частотный диапазон;

• малую неравномерность частотной характеристики;

• низкие нелинейные и переходные искажения;

• высокую чувствительность;

• низкий уровень собственных шумов.

Один из принципов построения микрофона основан на применении конденсатора, который имеет одну подвижную обкладку и меняет величину емкости в зависимости от звукового давления (рис. 1.4). При колебаниях мембраны ёмкость конденсатора меняется с частотой воздействующего на мембрану звукового давления. В электрической цепи появляется переменный ток той же частоты, и на нагрузочном сопротивлении возникает переменное напряжение, являющееся выходным сигналом микрофона.

Рис. 1.4.  Внутренняя схема конденсаторного микрофона

Основным недостатком этого принципа является необходимость подключения источника электропитания (мини-аккумулятора). Дальнейшее усовершенствование этого направления — электретные микрофоны.

На рис. 1.5 показан один из способов включения электретного микрофона. Электретные микрофоны работают так же, как и конденсаторные, но они предварительно накапливают постоянное напряжение с помощью заряда электрета, тонким слоем нанесенного на мембрану и сохраняющего этот заряд продолжительное время (свыше 30 лет). Поэтому они не нуждаются в дополнительном элементе электропитания. Электретные микрофоны сегодня более предпочтительны, чем угольные, они более чувствительны и дешевы. Однако они имеют недостаток. Они чувствительны к внешним воздействиям, таким, например, как помехи бытовых электроприборов.

Рис. 1.5.  Внутренняя схема электретного микрофона

Поскольку ЭДС, вырабатываемая микрофоном, мала, ее подают на усилитель, который построен на базе МОП-транзистора и получает электропитание по абонентской линии. Это также позволяет снизить выходное сопротивление до величины не более кОм и уменьшить потери сигнала при подключении к входу усилителя сигнала микрофона. Кроме этого, МОП-транзистор обеспечивает последовательное протекание тока, что очень важно для работы микрофона в цепи электропитания станции.

Некоторые примеры исполнения микрофонов

Мы рассмотрели теоретические принципы построения микрофонов. На практике приходится решать множество вопросов, связанных с условиями эксплуатации (климатические воздействия, возможность переноса микрофона, акустические требования) и особенностями конкретных материалов, из которых изготавливаются микрофоны.

Поэтому рассмотрим некоторые весьма распространенные в России типы капсульных микрофонов МК (микрофон капсульный) модели МК-16 и МК-10 [1.9, 1.26].

Корпус МК-10 (рис. 1.6а) изготовлен из латуни, а внутренняя поверхность покрыта изоляционным лаком. В штампованном корпусе 5 укреплен латунный цилиндрический электрод 1, покрытый сверху слоем палладия. В корпус засыпан угольный порошок 2 (1,25 г).

Рис. 1.6.  Капсульные микрофоны МК-10 и МК 16

Микрофонные капсюли МК-10 (а) и МК-16 (б): 1,3 — электроды, 2 — угольный порошок, 4 — мембрана, 5, 14 — латунный и фенопластовый корпуса, 6 — основание, 7, 8 — крышки, 9, 13 — влагозащитная и капроновая прокладки (пленки), 10 — изолирующая втулка, 11 — контакт, 12 — ободок

Электрод 1 изолирован от корпуса шайбой и втулкой 10. Электрод 3, выполненный из тонкой латуни в виде пустотелой чашечки, укреплен в центре легкой металлической рупорообразной мембраны 4, края которой закреплены кольцом. Электрод 3 погружен в угольный порошок 2 (поверхность электрода, соприкасающаяся с угольным порошком, покрыта слоем палладия).

Между мембраной и угольным порошком находится эластичная пленка 9, которая крепится между двумя полыми цилиндрическими стаканчиками подвижного электрода вместе с мембраной. Сверху мембрана завальцована крышкой 8 с отверстиями для прохождения звуковых волн. Над крышкой 8 находится вторая крышка 7, которая задерживает влагу.

В микрофоне даже в горизонтальном положении сохраняется цепь прохождения тока от одного электрода к другому, так как почти весь объем камеры микрофона заполнен порошком, в который глубоко погружены электроды. Поэтому микрофонный капсюль МК-10 считается безобрывным, обладает удовлетворительной влагостойкостью и достаточной механической прочностью.

В телефонных сетях применяют низко­, средне- и высокоомные микрофоны. Различное сопротивление микрофонов зависит от величины зерен угольного порошка и их термической обработки.

В микрофонном капсюле МК-16 (рис. 1.6б) основание 6 имеет форму фигурного кольца с двумя бортиками по окружности. На верхнем бортике (с большим диаметром) расположена мембрана 4 из фольги, на которой укреплен латунный электрод 3, имеющий форму колпачка. Мембрана 4 сверху покрыта влагозащитной пленкой 9. Внутри нижнего бортика с меньшим диаметром расположен корпус 14 с отверстием в середине. Полый латунный электрод 1 завальцован внутрь корпуса 14. Верхняя часть электрода имеет сферическую форму, а нижняя часть — трубчатую. Латунный колпачковый контакт 11 завальцован с внешней стороны в латунный электрод 1.

Пространство между электродами наполняется угольным порошком. Нижняя кромка латунного корпуса 5 и кромка колпачкового контакта 11 изолированы друг от друга и помещены в выемке корпуса 14. Микрофонные капсюли импортных телефонных аппаратов отличаются от отечественных капсюлей в основном размерами. Поэтому при установке импортных капсюлей в отечественные микротелефоны применяют специальные кольца и шайбы.

Микрофонный капсюль МК-16, устанавливаемый в телефонных аппаратах системы центральной батареи (ЦБ), имеет сопротивление 180 Ом.

По степени устойчивости к климатическим воздействиям микрофонные капсюли подразделяются на нормальные (Н) и устойчивые (У) для таксофонов.

Основным электроакустическим параметром, определяющим качество работы микрофона как преобразователя, является его чувствительность.

Зависимость чувствительности микрофона от частоты при постоянных значениях звукового давления и тока питания микрофона называют частотной характеристикой микрофона. На рис. 1.7 приведен пример частотных характеристик чувствительности угольных микрофонов [1.26].

Рис. 1.7.  Частотные характеристики чувствительности угольных микрофонов

Чувствительность угольного микрофона на различных частотах различна. Резкое возрастание чувствительности на определенной частоте разговорного спектра обусловлено резонансом, возникающим при совпадении частоты звуковых колебаний с частотой собственных колебаний мембраны. Неравномерный характер частотной характеристики вызывает амплитудно-частотные искажения, которые воспринимаются на слух как искажение тембра голоса при телефонном разговоре. Но изменением акустической системы микрофона можно изменять характер частотной зависимости чувствительности микрофона.

Качество микрофона характеризуется также зависимостью переменной ЭДС, развиваемой микрофоном, от изменения звукового давления, действующего на мембрану. Эта зависимость называется амплитудной характеристикой микрофона. Она (в определенном диапазоне звуковых колебаний) должна быть линейной, т. е. переменная ЭДС изменяется пропорционально звуковому давлению. Чем больше диапазон звуковых давлений, в котором эта пропорциональность сохраняется, тем лучше микрофон. Крик или разговор повышенной громкости перед микрофоном хотя и увеличивает отдаваемую микрофоном мощность, однако не всегда приносит пользу, так как ясность (разборчивость) речи при этом снижается из-за появления искажений.

На рис. 1.8 показаны примеры частотных характеристик уровня чувствительности для некоторых типов электретных микрофонов [1.24]. Они измеряются относительно 1В и указаны в дБ на Па. Неравномерность частотной характеристики чувствительности в номинальном диапазоне частот для микрофона МКЭ-3 не более 12 дБ, а для МКЭ-378 — не более +2 дБ.

Рис. 1.8.  Частотные характеристики чувствительности электретных микрофонов: а) МК-3: МК-378

Таблица 1.6. Технические характеристики электретных микрофонов
микрофон	Чувствительность, мВ/Па, не менее	Номинальный диапазон рабочих частот, Гц	Уровень собственного шума, дБ, не более
МКЭ-3	4 20	50 15000	30
МКЭ-84	6 20	300 3400	30
МКЭ-378А	6 12	30 18000	33
МКЭ-378Б	10 202	30 18000	33

Размытые линии на диаграмме показывают разброс параметров, который может быть значительным. При этом надо учитывать, что электретные микрофоны содержат усилители в виде МОП-транзисторов (рис. 1.5).

Потребляемый ток микрофонов — не более 70 мкА. Коэффициент гармоник на частоте 1000 Гц при звуковом давлении 3 Па для микрофонов МКЭ-378 — не более 1%.