Mikrofon - Polski Serwis Naukowy

Mikrofon dynamiczny marki Shure, model 55S z 1951 roku

Mikrofon – przetwornik elektroakustyczny służący do przetwarzania fal dźwiękowych na impulsy elektryczne.

Słowo mikrofon po raz pierwszy pojawiło się w słownikach pod koniec XVII wieku, oznaczając "instrument zwiększający głośność dźwięku", czyli trąbkę przystawianą do ucha. Pierwszy mikrofon został skonstruowany w 1827 roku przez Charlesa Wheatstone'a. Jednak pierwsze mikrofony, tzw. mikrofony kwasowe, które pojawiły się w latach 70. XIX wieku za sprawą Graya i Bella wykorzystano w początkach telefonii

Telefon (z gr. tele – daleko oraz phone – głos) – urządzenie stanowiące zakończenie łącza telefonicznego; gł. części a.t.: mikrotelefon, w którym zachodzi przetwarzanie dźwięków mowy na sygnał elektryczny (w mikrofonie) lub operacja odwrotna (w słuchawce), tarcza numerowa lub klawiatura, wytwarzające impulsy wybiórcze, oraz przetwornik sygnału elektrycznego na sygnał (optyczny lub akustyczny) przywołujący abonenta.
Przedwzmacniacz (ang. preamplifier, w slangu audio: preamp) – wzmacniacz, którego zadaniem jest wstępne wzmocnienie sygnału elektrycznego, zanim zostanie on skierowany do dalszej obróbki i/lub wzmocnienia np. przez wzmacniacz mocy.

Zasada działania

Mikrofon dynamiczny

Drgania powietrza wytwarzane przez fale dźwiękowe poruszają cienką elastyczną membranę i połączoną z nią cewkę umieszczoną w silnym polu magnetycznym wytwarzanym przez magnes. W wyniku tego generowane jest napięcie na zaciskach cewki - siła elektrodynamiczna, czyli drgania umieszczonej pomiędzy biegunami magnesu cewki, wzbudzają w niej prąd elektryczny o częstotliwości odpowiadającej częstości drgań fal dźwiękowych.

Georg Neumann GmbH (Neumann) – niemiecki firma zajmująca się produkcją mikrofonów studyjnych, założona w 1928 roku przez niemieckiego wynalazcę i pioniera fonograficznego – Georga Neumanna. Od 1991 roku Neumann jest istotną częścią grupy Sennheiser.
Gradient ciśnienia - wielkość fizyczna określająca kierunek najszybszego przyrostu ciśnienia gazu lub cieczy, a także tempo tego przyrostu. Wielkość ta ma fundamentalne znaczenie w mechanice płynów i dyscyplinach pochodnych, m.in. w hydrodynamice podziemnej i meteorologii, gdyż w przypadku braku niezrównoważonych sił zewnętrznych jej wartość decyduje o kierunku i szybkości przepływu płynów (np. powietrza w atmosferze lub wód podziemnych). Gradient ciśnienia jest wielkością wektorową, a jego jednostką w układzie SI jest paskal na metr (Pa/m).

Podstawowym plusem (zaletą) tej konstrukcji jest prostota i brak konieczności zewnętrznego zasilania. Aby uzyskać wyższe napięcie na wejściu mikrofonu, należy zastosować cewkę o większej ilości zwojów, która z kolei jest cięższa i ma większą rezystancję, a zatem i większą bezwładność i szumy termiczne. Co w konsekwencji utrudni mikrofonowi przetwarzanie wyższych częstotliwości i szybkich impulsów.

AKG Acoustics - producent przewodowych i bezprzewodowych rozwiązań elektroakustycznych. Firma została założona w 1947 roku w Wiedniu przez Austriaków Rudolfa Goerike i Ernsta Plessa pod nazwą Akustische und Kino-Geräte Ges. m. b. H. (niem. Urządzenia Akustyczne i dla Kin Sp. z o.o). AKG Acoustics jest właścicielem wielu patentów urządzeń i rozwiązań elektroakustycznych.
Układ współrzędnych biegunowych (układ współrzędnych polarnych) - układ współrzędnych na płaszczyźnie wyznaczony przez pewien punkt O zwany biegunem oraz półprostą OS o początku w punkcie O zwaną osią biegunową.

Mikrofon pojemnościowy

W mikrofonach pojemnościowych do przetwarzania fal dźwiękowych na napięcie służy specjalnie skonstruowany kondensator, w którym membrana wykonana jest z bardzo cienkiej i elastycznej folii z napyloną warstwą złota stanowiącą jedną okładkę oraz umieszczonej w niewielkiej odległości od niej drobnej siatce metalowej, która stanowi drugą okładkę. Drgania powietrza spowodowane wytworzonymi falami dźwiękowymi wprowadzają w ruch membranę, która zmienia odległość jednej okładki od drugiej. Jedyną wadą tego typu mikrofonów jest konieczność zasilania prądem.

Estrada i Studio – miesięcznik ogólnopolski dla muzyków i realizatorów dźwięku. Wydawany przez wydawnictwo AVT-Korporacja Sp. z o. o. w nakładzie 12.000 egzemplarzy. Redaktorem naczelnym jest Maciej Polański. Czasopismo jest przeznaczone przede wszystkim dla profesjonalistów: muzyków, techników, pracowników studiów nagraniowych i systemów PA, radiostacji czy klubów.
Komputer (z ang. computer od łac. computare – obliczać, dawne nazwy używane w Polsce: mózg elektronowy, elektroniczna maszyna cyfrowa, maszyna matematyczna) – urządzenie elektroniczne służące do przetwarzania wszelkich informacji, które da się zapisać w formie ciągu cyfr albo sygnału ciągłego.

Mikrofon pojemnościowy elektretowy - jedna z odmian mikrofonu pojemnościowego.

Membrana w tym mikrofonie jest powleczona warstwą dielektryka spolaryzowanego (elektretu). Kondensator jest jakby na stałe naładowany, przez co mikrofon nie wymaga dodatkowego zasilania (jedynie dla przedwzmacniacza).

Rodzaje mikrofonów

Ze względu na zastosowany typ przetwornika elektroakustycznego, mikrofony dzielimy na:

Natężenie dźwięku – miara energii fali akustycznej, której jednostką jest W/m2. Jest ona równa średniej wartości strumienia energii akustycznej przepływającego w czasie 1 s przez jednostkowe pole powierzchni (1 m2) zorientowanej prostopadle do kierunku rozchodzenia się fali.
Telefonia - dział telekomunikacji obejmujący zagadnienia wykorzystania środków do łączności głosowej na odległość, w szczególności przez zestawianie połączeń pomiędzy telefonami.

Mikrofon kwasowy

W latach 70. XIX wieku za sprawą Graya i Bella pojawiły się pierwsze mikrofony kwasowe, w których połączona z membraną iglica porusza się w rozcieńczonym kwasie. Wykorzystano je wówczas w raczkującej telefonii.

Mikrofon stykowy (węglowy)

Mikrofon węglowy marki Grundig

Mikrofony węglowe zostały opracowane przez Edisona jako rozwinięcie mikrofonu kwasowego, w którym kwas zastąpiono granulkami węgla, zmieniającymi swą rezystencję pod wpływem ciśnienia wywieranego przez membranę na granulat. Stosowano je przeważnie w telefonach.

Audio Technica Corporation to japoński producent sprzętu dźwiękowego założony w Tokio 1962 roku przez Matsushita Hideo. Z mikrofonów tej firmy korzystają najbardziej znani na świecie artyści Justin Timberlake, Linkin Park, Metallica, Kiss, Skid Row, Puddle of Mudd, Killswitch Engage i wielu innych oraz wytwórcy programów tj. m.in. Big Brother. Mikrofonów tej firmy używano także podczas zimowych igrzysk olimpijskich w 1996, 2000, 2002 i 2004 roku. W 2005 roku rozpoczęto produkcję mikrofonów odpornych na zakłócenia radiowe, telefoniczne, bezprzewodowych sieci internetowych itp. Oprócz fabryki w Tokio Audio Technica posiada fabrykę w Machida, Akron w Ohio w USA. Audio Technica posiada w Europie cztery biura (oddziały): w Leeds od 1978 roku, w Wiesbaden od 1999 roku, w Paryżu od 2009 roku oraz w Budapeszcie od 2010 roku.
Membrana – Element konstrukcyjny podzespołów akustycznych i elektroakustycznych w postaci cienkiej folii, płytki lub blaszki, drgającej pod wpływem fal dźwiękowych (np. w mikrofonie) lub wytwarzającej falę dźwiękową w wyniku pobudzania do drgań (np. w głośniku).

Zakres przetwarzania jest bardzo wąski, węższy niż widmo mowy ludzkiej, a zniekształcenia w porównaniu do innych typów mikrofonów są bardzo duże. Jednak konstrukcja mikrofonów jest tak prosta więc są one prawie bezawaryjne, posiadają one także dużą skuteczność oraz są trwałe i tanie.

Przepływ prądu moduluje się poprzez zmianę rezystancji elektrycznej spowodowanej poruszaniem się części mechanicznych mikrofonu. Mikrofony są podłużne, w których komorę tworzy płaska nieruchoma elektroda węglowa, odizolowana od ścianki pudełka, pierścień filcowy oraz membrana węglowa oparta na krawędzi pudełka i dociśnięta do niego przykrywka z otworami. Pierścień filcowy tłumi drgania własne membrany. Prąd elektryczny doprowadzany jest do wkładki za pośrednictwem sprężyn stykowych w mikrotelefonie i płynie przez pudełko, membranę i proszek do elektrody nieruchomej. Zmiany rezystancji wkładki są proporcjonalne do zmiany zgniotu proszku, czyli do wychylania się membrany.

Laryngofon - odmiana mikrofonu przeznaczonego do pracy w warunkach ekstremalnie silnego hałasu zewnętrznego. Od zwykłego mikrofonu odróżnia się tym, że jego membrana nie jest pobudzana przenoszoną przez powietrze falą dźwiękową, lecz drganiami skóry na szyi w pobliżu krtani mówiącego człowieka.
Fala kulista - fala, której powierzchnie falowe mają kształt współśrodkowych powierzchni kulistych. Środek tych powierzchni nazywamy środkiem fali. Tego typu fale wzbudzane są w jednorodnym ośrodku izotropowym przez pojedyncze źródło punktowe. Funkcja opisująca drgania dla skalarnej fali kulistej jest postaci:

Mikrofon piezoelektryczny

Pod względem elektrycznym mikrofony piezoelektryczne są kondensatorami. Przetwarzają one sygnał akustyczny w sygnał napięciowy. Są bardzo wrażliwe na wilgoć i zmiany temperatury, gdyż zbyt wysoka temperatura powoduje trwałe zmiany w ich działaniu. Wykazują one także bardzo dużą impedancję wewnętrzną o charakterze pojemnościowym, co utrudnia łączenie ich długimi przewodami. Szeroko natomiast stosowane są jako mikrofony, a ściślej - przetworniki, w instrumentach akustycznych. Szczególnie wiernie odtwarzają wysokie tony i są także stosowane jako czujniki ultradźwięków.

Rezystancja (opór, opór czynny, oporność, oporność czynna) – wielkość charakteryzująca relacje między napięciem a natężeniem prądu elektrycznego w obwodach prądu stałego. W obwodach prądu przemiennego rezystancją nazywa się część rzeczywistą zespolonej impedancji.
Generator drgań (także: oscylator) – układ elektryczny, którego celem jest wytworzenie drgań elektrycznych. Składa się z dwóch podstawowych elementów: wzmacniacza i obwodu dodatniego sprzężenia zwrotnego podającego sygnał z wyjścia wzmacniacza z powrotem na jego wejście. O częstotliwości drgań decyduje obwód sprzężenia zwrotnego, o ich amplitudzie – parametry wzmacniacza.

Mikrofon dynamiczny (magnetoelektryczny)

Mikrofon dynamiczny marki Sennheiser

W. C. Wenete oraz A. C. Thuras z firmy Bell Labs opatentowali w 1931 roku mikrofon dynamiczny. Wewnątrz mikrofonu magnetoelektrycznego, pomiędzy biegunami magnesu stałego, znajduje się cewka przymocowana do membrany. W mikrofonach cewkowych fale dźwiękowe, wprawiając membranę w drgania, powodują poruszanie się cewki w polu magnesu i indukują w niej prąd. W mikrofonach wstęgowych membrana jest jednocześnie przewodnikiem w którym indukuje się prąd.

Sennheiser electronic GmbH & Co. KG – prywatna niemiecka firma założona w 1945 roku wytwarzająca mikrofony, słuchawki, akcesoria telefoniczne oraz zestawy słuchawkowe dla lotnictwa. W swojej ofercie firma posiada produkty do zastosowań profesjonalnych, biznesowych jak i produkty na rynek konsumencki.
Transformator (z łac. transformare – przekształcać) – urządzenie elektryczne służące do przenoszenia energii elektrycznej prądu przemiennego drogą indukcji z jednego obwodu elektrycznego do drugiego, z zachowaniem pierwotnej częstotliwości. Zwykle zmieniane jest równocześnie napięcie elektryczne (wyjątek stanowi transformator separacyjny, w którym napięcie nie ulega zmianie).

Mikrofon cewkowy - głównymi elementami cewkowych mikrofonów są nabiegunnik będący źródłem stałego pola magnetycznego oraz membrana uformowana do postaci kulistej czaszy (często specjalnie pofałdowanej, aby zwiększyć obszar podatności), do której z kolei przymocowana jest cewka nawinięta metodą bezszkieletową. Ruch membrany pod wpływem fali mechanicznej powoduje ruch cewki w polu magnetycznym nabiegunnika, co powoduje powstanie w obszarze cewki sił elektromotorycznych, które z kolei powodują przepływ prądu.

Mikrofony te cechuje dobra kierunkowość i skuteczność, uwydatnianie mniejszych częstotliwości akustycznych i rezystancja w granicach kilkuset Ω.

Shure Incorporated - prywatna firma założona w 1925 roku wytwarzająca mikrofony, słuchawki, miksery, systemy bezprzewodowe, osobiste systemy monitoringu. W swojej ofercie firma posiada produkty do zastosowań profesjonalnych, biznesowych jak i przeznaczone na rynek konsumencki. Produkty marki "Shure" w tym mikrofony i systemy bezprzewodowe są powszechnie używane podczas wszelkiego rodzaju imprez, wydarzeń, koncertów itp.
Moc akustyczna źródła dźwięku - całkowita moc fali akustycznej emitowanej przez źródło. Można ją wyznaczyć otaczając źródło dźwięku zamkniętą powierzchnią i sumując strumień mocy akustycznej przez tę powierzchnię. W metodzie tej przyjmuje się, że pochłanianie fali dźwiękowej w ośrodku jest pomijalnie małe lub powierzchnia ściśle otacza źródło. W przypadku powietrza dla niezbyt dużych odległości spełniony jest pierwszy warunek. Jednostką mocy akustycznej jest 1 W.

Mikrofon wstęgowy - odbiornik energii akustycznej stanowi tutaj cienka wstęga aluminiowa, zawieszona między nabiegunnikami magnesu. Tylko jedna strona wstęgi jest otwarta i wystawiona na działanie fal akustycznych. Druga strona jest osłonięta szczelną obudową, zakończoną długą rurką, zwinięta spiralnie w pudle stanowiącym podstawę mikrofonu. Wstęga mikrofonu wykonana jest z paska blachy aluminiowej, pofałdowanego na całej długości, w celu nadania większej giętkości w kierunku ruchu i sztywnienia w kierunku poprzecznym dla zabezpieczenia przed skręcaniem. Ze względu na dużą wrażliwość wstęga jest podatna na wszelkie ruchy powietrza i przy silniejszym podmuchu może ulec trwałemu odkształceniu, a nawet zerwaniu. Dla ochrony przed tym mikrofony osłania się drucianą siatką.

Mikrofon pojemnościowy (elektrostatyczny)

Mikrofony pojemnościowe do zastosowań transmisyjnych marki Audio Technica

Mikrofon pojemnościowy składa się z dwóch elektrod podłączonych do źródła napięcia stałego. Jedna z elektrod jest nieruchoma, natomiast druga wystawiona jest na działanie fal dźwiękowych, które wprawiają ją w drgania. Elektrody mikrofonu pełnią rolę okładek kondensatora więc zmiana odległości pomiędzy elektrodami powoduje zmianę pojemności takiego kondensatora, co z kolei powoduje powstanie składowej zmiennej w stałym napięciu zasilającym kondensator. Jej częstotliwość jest równa częstotliwości padającej fali dźwiękowej.

Przetwornik elektroakustyczny - rodzaj przetwornika przetwarzającego prąd elektryczny na fale akustyczne lub odwrotnie, z pomocą różnych zjawisk fizycznych. Do przetworników elektroakustycznych zaliczamy m.in głośniki, mikrofony, przetworniki gitarowe i szejkery sceniczne.
Domofon (również bramofon) – urządzenie elektroniczne służące do komunikacji głosowej na małe odległości bez pośrednictwa centrali, zazwyczaj pomiędzy zewnętrzną kasetą bramową, a montowaną wewnątrz słuchawką unifonu.

Charakterystyczną cechą mikrofonów pojemnościowych jest nadzwyczajna mała masa (a więc i bezwładność) układu drgającego, w formie membrany wykonanej z bardzo cienkiej folii. Pozwala to na skonstruowanie mikrofonów wiernie przetwarzających przebiegi impulsowe i przenoszących równomiernie szerokie pasmo częstotliwości.

Karta dźwiękowa (ang. sound card, audio card) jest to komputerowa karta rozszerzeń, umożliwiająca rejestrację, przetwarzanie i odtwarzanie dźwięku. Poprawnym jest też równie często stosowany termin karta muzyczna.
Wtyk Jack - wtyczka używana zwykle w urządzeniach audio-wideo do połączeń audio. W wersji 6,3 mm także w profesjonalnym audio do przesyłania sygnałów sterujących. Istnieje kilka rodzajów wtyków jack różniących się wielkością. Najpopularniejsze to jack TS/TRS (jack) o średnicy 6,3 mm oraz minijack o średnicy 3,5 mm. Istnieje także trzeci rodzaj - microjack o średnicy 2,5 mm dość rzadko stosowany.

Wymagają one stosowania układów elektronicznych zintegrowanych z mikrofonem właściwym. Klasyczny mikrofon pojemnościowy z polaryzacją napięciem stałym zawiera: przetwornicę elektroniczną napięcia stałego, wytwarzającą napięcie stałe o większej wartości (60-80V) oraz przedwzmacniacz przymikrofonowy, wyposażony w transformator wyjściowy lub beztransformatorowy. Prąd zasilający przedwzmacniacz jest doprowadzana z zewnątrz kablem mikrofonowym (tzw. phantom) lub może być pobierany z baterii umieszczonej w mikrofonie.

Źródło dźwięku - to ciało drgające, którego energia jest dostateczna, aby wywołać w narządzie słuchu, najsłabsze wrażenia słuchowe. Inaczej mówiąc natężenie dźwięków słyszalnych musi przekraczać próg słyszalności.
Fale dźwiękowe to rodzaj fal ciśnienia. Ośrodki, w których mogą się poruszać, to ośrodki sprężyste (ciało stałe, ciecz, gaz). Zaburzenia te polegają na przenoszeniu energii mechanicznej przez drgające cząstki ośrodka (zgęszczenia i rozrzedzenia) bez zmiany ich średniego położenia. Drgania mają kierunek oscylacji zgodny z kierunkiem ruchu fali (są to fale podłużne).

Wykorzystuje się je głównie w celach profesjonalnych.

Mikrofon pojemnościowy elektretowy - Wynalezienie materiałów elektretowych umożliwiło konstruowanie mikrofonów pojemnościowych bez przetwornicy będącej źródłem napięcia polaryzującego. Konieczną polaryzację zapewnia folia elektretowa, z której wykonano membranę mikrofonu lub nieruchoma płytka stanowiąca drugą elektrodę układu.

Tego typu mikrofony stosuje się w telefonach, włącznikach akustycznych, interkomach,domofonach i innych urządzeniach, gdzie jakość dźwięku nie ma wielkiego znaczenia.

Mikrofon pojemnościowy w.cz. - Tego typu mikrofony zawierają generator wysokiej częstotliwości oraz układ symetrycznego modulatora i demodulatora. Zmiana pojemności między elektrodami mikrofonu powoduje modulowanie amplitudy przebiegów w.cz., z których po demodulacji otrzymuje się przebieg m. cz. odpowiadający zmianą ciśnienia akustycznego na membranie. Dzięki zastosowaniu symetrycznych układów mostkowych i wysokiej częstotliwości prądu modulowanego mikrofony te mają bardzo dobre parametry i niskie szumy własne.

Mikrofon laserowy

Wiązka lasera odbijając się od drgającej powierzchni pada na różne miejsca elementu światłoczułego odbiornika. Sygnał jest zależny od miejsca na elemencie światłoczułym. Drgającą powierzchnią może być na przykład szyba w oknie - stąd możliwe są zastosowania tego typu mikrofonu przez służby specjalne.

Mikrofon światłowodowy

Wiązka światła przesyłana przez pierwszy światłowód po odbiciu od środka membrany pada na początek drugiego światłowodu. Drgania membrany powodują zmiany natężenia światła, które następnie zostaja zamienione na sygnał elektryczny. Ze względu na małą masę membrany, która może być wykonana z cienkiej folii metalowej charakterystyka częstotliwościowa takiego przetwornika jest podobna jak mikrofonu pojemnościowego.

System bezprzewodowy mikrofonów różnego typu

Zasadnicza różnica w konstrukcji mikrofonu bezprzewodowego polega jedynie na innym sposobie przesyłania sygnału. W miejsce przewodu zastosowano nadajnik wbudowany w obudowę lub osobną przymocowaną do wykonawcy lub instrumentu oraz odbiornik znajdujący się w pobliżu stołu mikserskiego. Najczęściej stosowanymi nadajnikami pracującymi w systemie modulacji częstotliwościowej FM w pasmach UHF (470-950MHz) lub VHF (170-240 MHz). Ten sam kanał który znajduje się w mikrofonie należy wybrać w odbiorniku.

Mikrofony bezprzewodowe umożliwiają swobodne poruszanie się, likwidują plątaninę kabli, pozwalają na szybką instalację nagłośnienia, zapewniają wyższy poziom bezpieczeństwa dzięki izolacji galwanicznej. Niestety urządzenia te są bardzo drogie, należy wymieniać baterie, istnieje także możliwość występowania zaników sygnału spowodowanych odbiciami od ścian pomieszczenia. Zdarzają się także sytuacje, że odbiornik odbiera sygnały postronne pochodzące z innych nadajników.

Jakość dźwięku zależy głównie od przetworników mikrofonowych użytych w zestawie. Bardzo często producenci dają nam możliwość wyboru główki, która będzie zainstalowana, a w jej nazwie zawarty jest symbol jej przewodowego odpowiednika. Transmisja radiowa wprowadza również pewną degradację sygnału.

czytaj dalej: [2], [3]

w oparciu o Wikipedię (licencja GFDL, CC-BY-SA 3.0, autorzy, historia, edycja)