Раздел 5 микрофоны

Микрофон преобразует звуковую энергию сигнала в электрический аналог и, в принципе, должен осуществлять подобное преобразование без потери полезной информации. По этой причине микрофон призван отвечать следующим требованиям:

• для нормальных уровней звука он должен производить электрический сигнал, превосходящий по уровню собственные шумы;

• для нормальных уровней звука он должен производить сигнал с минимальными искажениями;

• для конкретного источника звука он должен совместно с сопутствующим оборудованием, no-возможности, одинаково реагировать на весь полезный спектр частот аудио сигналов.

Современные высококачественные микрофоны способны достаточно полно удовлетворить первые два условия. Однако, для того чтобы сигнал прошел без значительных искажений по коммуникационным каналам, часто требуется введение трансформатора или усилительного элемента, расположенных настолько близко к микрофонной головке, что их рассматривают как часть самого микрофона. Третье из приведенных условий не является настолько жестким. В самом деле, до появления широковещания, работающего в УКВ диапазоне, на радиостанциях вообще не предъявлялось требований к микрофонам относительно полного охвата всей звуковой области, и, даже в наши дни, практические границы работы многих систем не превышают 15 кГц. Считается, что достижение более высоких результатов будет менее экономически выгодным предприятием. Для источника звука, воспроизводящего довольно ограниченный диапазон частот, применение микрофонов, реагирующих на обширную частотную область, означало бы нежелательную восприимчивость к посторонним источникам звука (с более широким диапазоном) или высокочастотным шумам.

f

Микрофоны различаются между собой по принципу преобразования движения воздушной массы в электрическую энергию. К наиболее популярным микрофонам, которые в наши дни нашли широкое профессиональное применение, можно отнести: электростатические (называемые также конденсаторными или емкостными), катушечные ("динамические") и ленточные микрофоны. Кроме названного, существуют и другие принципы, заложенные в основу работы микрофонов. В их число входят: кристаллические (пьезоэлектрические), карбоновые, индукторные, магнитострикционные и ионные микрофоны. В данной книге мы не будем рассматривать работу этих типов микрофонов: из-за присущих некоторым их них недостатков они находят довольно ограниченное применение.

Почти все рассмотренные системы микрофонов используют для своей работы диафрагму - поверхность, которая механически восприимчива к звуковым волнам. Еще одним возможным ' принципом работы может служить применение чувствительных к воздушному давлению полупроводников интегральных схем.

1 т.

62 Микрофоны

Чувствительность микрофонов

Она обычно выражается в дБ по отношению к 1 Вольт на Паскаль, и может быть представлено таблицей (линейной зависимости) как отношение мВольт/Па:

дБ по отноше-	мВ/Па
нию к 1В/Па
-20	100
-25	56.0
-30	31.6
-35	17.8
-40	10.0
-45	5.60
-50	3.16
-55	1.78
-60	1.00
-65	0.56

Восприимчивость микрофонов

Величина восприимчивости микрофонов иногда харак­ теризуется максимальным уровнем звукового давле­ ния (УЗД)(обычно для 1% искажающих гармоник). При переводе значений звукового давления в Паскали, таблица

выглядит:

УЗД (дБ)

140

134

128

94

О

Давление (Па) 200 100 50 1 0.00002

Значение нуля соответ­ствует порогу слышимости.

Микрофоны также различаются по способу воздействия воздушного давления на движения диафрагмы. Это определяет характеристики

направленности микрофонов и является особенно важным фактором для их использования. В конструкции микрофона может быть предусмотрено изменение выходных характеристик в зависимости от угла поворота относительно оси, но при этом не должно происходить потери его чувствительности к заданному диапазону частот. К сожалению, это почти невыполнимое требование. Поэтому, в реальной жизни находят величину такого полезного угла, для которого названные условия, более или менее, удовлетворяются.

ХАРАКТЕРИСТИКИ МИКРОФОНОВ

К характеристикам микрофонов, которые определяют условия для их эксплуатации, можно отнести следующие:

Чувствительность. Эта величина характеризует восприимчивость к мощности производимого сигнала. На практике, большинство профессиональных микрофонов имеют выходное напряжение в пределах 10 дБ. Принимая характеристики динамических микрофонов в качестве усредненных, следует отметить, что электростатические микрофоны показывают более высокое значение напряжения, чем ленточные, так как нуждаются в наличии предварительного усиления.

В других случаях эти зависимости могут быть выражены через отношение 1 Вольта к дин/кв.см, что дает величины меньшие на 20 дБ.

Строго говоря, чтобы обеспечить необходимый уровень сигнала на входе смесителя, или для передачи сигнала от студии к радиопередатчику, необходимо обеспечить усиление (последующее) сигнала более чем на 70 дБ. Верхний уровень чувствительности микрофонов определяется уровнем перегрузки, при котором происходит нежелательное появление искажающих гармоник. Динамические микрофоны, в некоторой степени, свободны от этого недостатка, в отличие от электростатических, которые добавляют к этим искажениям и свои собственные шумы ("шипение"). Границы чувствительности этих двух типов микрофонов могут быть определены через понятия уровней звукового давления.

Например, микрофон с определенным верхним пределом в 130 считается обладающим низким уровнем перегрузки по отношению к уровням звука, которые являются близкими (или превышающими) к болевому порогу, хотя в то же время, это может быть малой

Микрофоны 63

Типы микрофонов

Сверху: электростатические (конденсаторные). 1.Диафрагма из фольги. 2.Контактная пластина. Усилительный элемент рас­ полагается настолько близко к головке микро­ фона, что считается его конструктивной частью. В центре: динамический микрофон. 3. Диафрагма. 4. Катушка, прикрепленная к диафрагме. 5.Постоянный магнит. Внизу: ленточный микро­ фон.

б.Легкая проводящая лента из фольги.

Т.Постоянный магнит с удлиненными полюсами. 8.Трансформатор. Ленточные микрофоны до недавнего времени находили довольно узкое применение из-за низкой восприимчи­вости высоких частот и арха­ического внешнего вида. Однако, в наши дни они стали популярны в опреде­ленных целях, хотя исполь­зуют в качестве элемента тяжелый магнит и вынуж­дены храниться на рассто­янии от записанных магнит­ных лент.

величиной для случая близкого восприятия звука мощного голоса певца. Нижняя граница

чувствительности (называемая "эквивалентом уровня шумов") порядка 20 дБ означает, что электрические шумы микрофона больше уровня звукового давления безмолвной студии звукозаписи не более чем на 20 дБ.

Надежность. Динамические микрофоны особенно устойчивы к проявлениям небрежного или грубого обращения, которое может иметь место вне пределов студии. Электростатические микрофоны, наоборот, требуют к себе более бережного отношения.

Чувствительность в эксплуатации . Динамические и определенные типы электростатических микрофонов показывают довольно устойчивые характеристики при использовании их эстрадными певцами. Некоторые микрофоны обладают специальными предохрани­тельными прокладками между капсулой (и связанной с ней электроникой) и ручкой микрофона. Ограниченная чувствительность к низкочастотной области также в значительной мере способствует их стабильности в работе. Ленточные микрофоны являются менее пригодными, так как их ленточная диафрагма имеет резонансную частоту в районе 40 Гц, которая достаточно легко возбуждается от небольших движений или даже от шума аудитории. Кабели и разъемы, используемые во время представления, также должны быть проверены на наличие шумов при эксплуатации.

Чувствительность к ветру . Внезапные порывы ветра способны вызвать случайные изменения градиента воздушного давления. Поэтому микрофоны, в основу работы которых заложен этот принцип, являются менее пригодными для эксплуатации. Ленточные микрофоны, имеющие тонкую ленточную диафрагму, в особенности показывают отрицательные характеристики. Для этих случаев очень важно применять защитные противоветровые экраны нужной конфигурации.

Форма, размер и вес . Внешний вид микрофонов, а также их размеры и вес играют большую роль ( в особенности для телевидения) в удобстве при их эксплуатации и гармонировании с аксессуарами исполнителей.

Стоимость. Электростатические микрофоны

постоянной поляризации и хорошие динамические микрофоны являются относительно дешевыми моделями, однако некоторые типы высокока­чественных электростатических микрофонов могут иметь гораздо большую стоимость.

64 Микрофоны

Соответствие волновых сопротивлений. Как правило, микрофонная система должна подходить под импеданс аппаратуры, к которой она должна быть подключена. Если это условие будет нарушено, то между соединительными компонентами возникнут нежелательные отражения сигнала, которые могут в конечном счете повлиять на частотное реагирование. На практике, для обеспечения лучшей совместимости систем, волновое сопротивление микрофона выбирается на одну треть меньше импеданса соединяемого с ним устройства. В тех случаях, когда требуется введение в систему трансформаторов или усилительных элементов, волновое сопротивление микрофонов составляет 200 Ом. Эта величина оправдана для большинства смесителей, которые обычно имеют входное сопротивление порядка 1200 Ом.

Чувствительность к изменениям, температуры и влажности. Реальные условия производства или постановки художественных фильмов могут отличаться экстремальными климатическими условиями: так жара или влажность от освещения могут отрицательно сказываться на телепродукции в студийных условиях. Конденсация влажности на поверхности диафрагмы микрофонов приводит к увеличению ее инерции и к временной потери чувствительности. Если электростатический микрофон хранился или транспортировался в холодных условиях, его характеристики будут особенно подвержены климатическому воздействию.

Изменение частотного восприятия . Некоторые виды микрофонов имеют переключатели, способные качественно изменять восприимчивость системы к определенным диапазонам частот. Эти переключатели могут располагаться как на самом микрофоне, так и на отдельных контрольных устройствах. Кроме названных, на микрофонах могут присутствовать специальные регуляторы контроля низких частот.

Рассмотренные характеристики систем могут в известной степени доминировать над остальными для различных видов микрофонов, тем самым определяя или ограничивая выбор возможного варианта. Популярная музыка использует для своих целей многие виды микрофонов, отдавая предпочтение надежности (при достаточных физических нагрузках) или частотным свойствам микрофона к восприимчивости определенных инструментальных групп, или качеству тоновой окраски, свойственной микрофонам какого-либо производителя,

НАПРАВЛЕННОСТЬ МИКРОФОНОВ

По характеру направленности действия все микрофоны можно разбить на несколько основных категорий. При этом, характеристика направленности достаточно наглядно отражается в системе полярных координат, в которой значения выходного уровня по разным направлениям откладываются на лучах, проведенных из центра.

Всенаправленные микрофоны . Эта категория микрофонов, в идеальном случае, одинаково воспринимает сигналы со всех возможных направлений. В основу их работы положено свойство реагирования на изменение воздушного давления с последующим его преобразованием в электрический сигнал. Большинство динами­ческих и электростатических микрофонов работают по этому принципу. При этом, диафрагма открыта для доступа воздушного давления только с одной стороны.

Микрофоны 65

Направленность систем

Границы работы: от все- направленных (чистое дав­ ление) до бинаправленных микрофонов (градиент дав­ ления). Кривая 1 пока­ зывает отношение сигналов прямого и обратного направлений. Наибольшая направленность отвечает суперкардиоидным микро­ фонам (А), для которых восприимчивость высока для одного направления и мала для других. Кривая 2 отражает неустойчивость к приему окружающих сигна­ лов. В случае гиперкардио- идных микрофонов (Б) реверберация примет мини­ мальные значения и перед­ ний лепесток направлен­ ности сужается.В интервале между всенаправлещгой и кардиоидной системами преобладает значение

прямых и боковых направ­лений приема, поэтому такие микрофонные сис­темы нашли широкое применение. (Следует обра­тить внимание на то, что жесткий баланс обеспе­чивает сокращение вели­чины реверберации, а использование подобного микрофона позволит произ­вести дальнейшее умень­шение более длинной реверберации).

Кардиоида микрофона

Слева : передняя часть "восьмерки" находится в фазе с сигналом от всенаправленного микро­фона и поэтому прибав­ляется к нему; задняя часть -не в фазе, следовательно, вычитается из него. Справа : суперкардиоида, является более направлен­ным вариантом кардиоиды микрофона. . Может быть получена путем комбинации все- и бинаправленного сигнала в различных соот­ношениях.

Бинаправленные микрофоны . Их действие определяется разницей в давлении (градиентом давления) между двумя последовательными точками вдоль

распространения звуковой волны. Если микрофон помещен в стороне от направления звуковой волны, то давление для этих двух точек будет одинаковым и никакого электрического сигнала генерироваться не будет. Таким образом можно сказать, что этот микрофон будет "глух" к сигналам, поступающим со стороны и "активен" к тем сигналам, которые приходят на микрофон с переднего или заднего направлений. При пространственном движении вокруг микрофона его восприимчивость к боковым сигналам начинает снижаться и графическая характеристика

направленности приобретает вид "восьмерки". Активный угол действия микрофона обычно составляет 100 градусов для каждого из

противоположных направлений. Но сигнал,

270

270

приходящий на микрофон с задней стороны находится в противофазе с передним сигналом. Ленточные микрофоны, которые достаточно широко использовались на практике, работали именно по этому принципу. Они реагировали на разницу в давлении на обеих сторонах ленты, выполненной из тонкой алюминиевой фольги. Электростатические микрофоны, имеющие одну диафрагму, и диаграмму направленности в виде "восьмерки", будут работать по этой же схеме, если воздушное давление будет одинаково воздействовать на обе стороны диафрагмы.

66 МрВфофоны

Кардиоидные микрофоны. Микрофоны этой категории отличаются

"сердцеобразной" характеристикой восприимчивости. Это достигается

совмещением выходов микрофонов, использующих давление и градиент давления в качестве основных функциональных свойств. При этом, восприимчивость в прямом направлении оси для обеих микрофонных систем должна быть одинаковой.

Существует множество комбинаций такого рода совмещенной работы: более ранние кардиоидные системы содержали ленточный элемент и катушку индуктивности в одном объеме. Для звуков, поступающих с переднего направления, выход системы образуется от сложения сигналов, а для звуков с заднего направления сигналы будут находиться в противофазе и взаимно компенсироваться. В боковых направлениях ленточный элемент не способен формировать значение выхода и его величина будет определяться действием всенаправленного компонента. Таким образом, в данном случае происходит значительное формирование сигнала в прямом и боковых направлениях, а при больших углах направленности его величина будет достаточно малой.

Суперкардиоидные и гиперкардиоидные микрофоны. Функциональной особенностью этих микрофонных систем является применение различных комбинаций из методов, использующих давление и градиент давления для работы в заданном диапазоне. Полярные диаграммы, отражающие гамму возможных вариантов, будут изменяться от всенаправленной через кардиоидную, суперкардиоидную и гиперкардиоидную к бинаправленной диаграмме. При этом, качественные характеристики направленности внутри этих границ можно рассматривать с двух точек зрения. В одном случае, во внимание принимается отношение уровней сигналов, поступающих с прямого и обратного направлений. Это отношение для всенаправленных и бинаправленных систем выражается как 1:1 и достигает своего максимума 13:1 в промежуточном положении. В другом случае, оценивают систему с позиции неустойчивого приема сигналов с других направлений: на практике, эта величина выражается в виде отношения полного угла направленности к величине угла, в котором микрофон показывает наиболее эффективные значения приема. Оно составляет 1:1 для всенаправленных микрофонов, 3:1 для кардиоидных и бинаправленных систем, и несколько выше (4:1) для промежуточных положений между двумя последними.

Комбинации систем, использующих принципы давления и градиента давления в различных пропорциях, весьма полезны для уменьшения величины поступающей на вход реверберации и сокращения уровня нежелательных шумов. Помимо микрофонов, обладающих единственной характеристикой направленности, существуют микрофонные системы, которые позволяют переключать встроенные комбинации для изменения полярных характеристик. При выборе микрофонов с позиции диаграмм направленности следует помнить, что ширина пиковых значений будет становиться меньше при усилении действия компоненты с градиентом давления.

Микрофоны 67

Узконаправленный .микрофон

Сплошная линия показы­ вает полярную характерис­ тику восприимчивости средних и высоких аудиочастот. Для низких частот (пунктирная линия) восприимчивость снижается до величин микрофонных капсул (в данном случае кардиоидной).

Узконаправленные микрофоны. Эти микрофоны характеризуются большой величиной нечувствитель­ности к сигналам с обратного и боковых направлений. Примечательны также и размеры этих микрофонных систем: в них используются параболические экраны для концентрации сигналов в фокусе микрофона, применяются длинные цилиндрические трубки вдоль основной микрофонной оси и т.д. Частотная восприимчивость выражается очень узкой характерис­тикой диаграммы направленности для высоких частот, но принимает более широкое и вместе с тем малое по уровню значение для сигналов, длина волны которых превышает основные размеры самого микрофона.

ЧАСТОТНАЯ ВОСПРИИМЧИВОСТЬ МИКРОФОНОВ В РЕАЛЬНЫХ

УСЛОВИЯХ

В практическом смысле, даже высококачественные микрофоны не имеют идеально ровной частотной восприимчивости. При использовании достаточно дорогих моделей микрофонных систем в их направленных свойствах можно найти пики и провалы в характеристиках восприимчивости, составляющие порядка 3-4 дБ. Однако это не сказывается на их работе. До недавнего времени считалось довольно трудоемким создать микрофонную систему с заданным уровнем реагирования по всему аудиодиапазону. В наши дни, присущие микрофонам отклонения в характеристиках, стараются использовать с более выгодной стороны. Кроме того, микрофоны одной и той же модели могут отличаться друг от друга своими показателями на величину 2 (или более) дБ. К счастью, для потребителей эти величины не являются принципиальными, так как погрешности в

восприимчивости перекрываются особенностями реверберации и акустики залов. Случается, что пиковый уровень восприимчивости, находящийся на микрофонной оси, позволяет создать благоприятный прием сигналов, поступающих на систему под другими углами.

Некоторые микрофоны, например, могут иметь достаточно сильный провал в области низких частот, что делает их абсолютно непригодными для определенных инструментов, а следовательно, и всего оркестра. Однако, для профессиональных микрофонов наиболее обычным явлением считается "потеря" верхнего диапазона - от 12 кГц. С другой стороны, существуют системы, которые характеризуются отличной восприимчивостью к верхним частотам (более 12 кГц), но при этом требуют строгого расположения источника звука на оси микрофона.

68 Микрофоны