История создания микрофона кратко

Обновлено: 05.07.2024

Термины и определения. История.

В предыдущих статьях были рассмотрены такие виды электроакустической аппаратуры как громкоговорители, акустические системы и стереотелефоны. Следующая серия статей будет посвящена такому важнейшему для современной аудиотехники виду аппаратуры как микрофоны. Предполагается рассмотреть историю микрофонов, основные параметры и методы измерений, особенности конструкции, а также микрофонные стереосистемы и микрофоны для пространственных систем звукозаписи (Surround Sound).

Микрофон является первичным звеном в системах звукозаписи и звукоусиления (в студийных условиях, концертных залах, стадионах, производственных помещениях и др.). Выбор его параметров в значительной степени определяет качество звучания музыки и речи, которые с помощью систем радиовещания, телевидения, мультимедиа, звукозаписи и др. передаются многомиллионной аудитории слушателей. Именно поэтому к микрофонам выдвигаются особые требования по техническим, конструктивно-эстетическим характеристикам и надежности.

Современный микрофон имеет довольно сложное устройство. Пример одной из конструкций микрофона фирмы AKG показан на рис. 1: он включает в себя капсюль конденсаторного типа, предусилитель, защитный экран, систему амортизаторов для крепления капсюля, разъемы, корпус с защитной решеткой и т. д. В конструкции цифрового микрофона, например, в модели Solution-D — одной из последних разработок фирмы Neumann, вместо предварительного усилителя в корпусе установлен аналого-цифровой преобразователь и цифровой процессор для предварительной обработки звука. Многообразие конструкций микрофонов, выпускаемых в настоящее время, чрезвычайно велико и продолжает постоянно увеличиваться.

История
Из всех видов электроакустических преобразователей, используемых в современной аудиотехнике, микрофон имеет самую длинную историю. Само название "microphone" было предложено в 1827 году английским ученым Чарльзом Уитстоуном (Charles Wheatstone) и происходит от греческих слов "micro" (малый) и "phone" (звук).

Создателем первой конструкции микрофона можно считать немецкого физика Иоганна Рейса (Johann Reis), в 1861 году описавшего звуковой приемник, в котором металлический стержень, находящийся в контакте с мембраной, был включен в электрическую цепь. При движении мембраны контакт периодически размыкался, создавая в цепи переменный ток. Идея эта была продолжена американскими изобретателями Александром Беллом (Alexander Bell) и Эмилем Берлинером (Emile Berliner), последний в 1877 году запатентовал конструкцию микрофона, построенную по такому же принципу (рис. 2). Однако качество передачи речи было довольно низким.

Значительным шагом вперед была конструкция микрофона, запатентованная в 1876 году знаменитым изобретателем А. Беллом, которая представляла собой "жидкостный передатчик" (рис. 3). Принцип его устройства был довольно прост: в металлический сосуд был налит водный раствор с небольшим количеством серной кислоты, в котором "плавала" пергаментная диафрагма с присоединенной иглой (позднее — медным стержнем). Когда человек говорил в рупор, диафрагма начинала двигаться вверх-вниз, игла больше или меньше погружалась в раствор, и соответственно менялось сопротивление электрической цепи, к которой был подключен сосуд (изменение сопротивления было обратно пропорционально размеру мениска вокруг погруженной в раствор иглы). Такой "микрофон" был продемонстрирован на выставке в Филадельфии в 1876 году и подтолкнул целую группу изобретателей (Э. Берлинера, Д. Хьюга и Т. Эдисона) к созданию угольного микрофона.

Угольный микрофон, запатентованный в 1886 году Томасом Эдисоном, представлял собой чашку (рис. 4), заполненную угольными гранулами, сверху находилась металлическая диафрагма. Электрическое напряжение, приложенное между электродами, обуславливало слабый постоянный ток через гранулы. Когда диафрагма начинала колебаться под действием падающей звуковой волны, гранулы сжимались, увеличивалась площадь контактов между ними, и электрическое сопротивление между электродами падало. В результате изменения сопротивления под действием звукового сигнала на выходе трансформатора появлялся переменный ток, который усиливался и подавался к другим элементам оборудования.

Такие микрофоны имели узкий диапазон воспроизводимых частот, значительные нелинейные искажения, со временем в них появлялось большое количество тресков и шумов и т. д. Однако они были очень просты в изготовлении, создавали достаточно высокий уровень выходного сигнала (что позволяло использовать их без усилителя) и поэтому получили очень широкое распространение, особенно в телефонии. Один из образцов угольного микрофона показан на рис. 5. Массовое производство таких микрофонов продолжалось примерно до 1920 года, однако для некоторых специальных целей (в основном, для телефонов) они используются до настоящего времени.

Поиски новых принципов преобразования для микрофонов постоянно продолжались. В 1917 году Эдвард Венте (Edward Wente) в лаборатории Bell Labs (США) создал конденсаторный микрофон, который использовался вначале только для измерительных целей. С 1926 года BBC начала применять такого типа микрофоны в радиовещании, чему помогло появление ламповых усилителей (способных работать на емкостной нагрузке), изобретенных в 1907 году Ли де Форестом (Lee De Forest). В 1932 году Neumann создал модель конденсаторного микрофона CMV3, которая затем модифицировалась в модель М-7 и др. В 1947 году компания AKG представила свою первую модель лампового конденсаторного микрофона C1 (который затем модифицировался в модель CK-12), а с 1962 года начала их массовое производство. Сейчас конденсаторные микрофоны составляют основную долю в промышленном выпуске и широко используются в звукозаписи, радиовещании, на телевидении и др.

Принцип их устройства довольно прост — он представляет собой плоский конденсатор, состоящий из двух обкладок. Из них внешняя сторона, обращенная к источнику звука, выполнена в виде тонкой круглой металлизированной изнутри диафрагмы, скрепленной по окружности с кольцом из диэлектрика. Второй обкладкой конденсатора служит массивное металлическое основание. К обкладкам подводится постоянное поляризующее напряжение. Когда под действием звуковой волны диафрагма начинает колебаться, меняется емкость конденсатора, соответственно меняется заряд и генерируется переменный ток.

Конденсаторные микрофоны имеют ряд преимуществ, которые позволяют широко использовать их в студийной практике. К числу основных из них можно отнести следующие: низкий уровень переходных искажений (из-за малой массы диафрагмы), широкий частотный диапазон, малая чувствительность к магнитным помехам. Однако они обладают меньшей механической и климатической стойкостью, чем динамические микрофоны, требуют дополнительного напряжения поляризации и имеют более высокую стоимость.

Электродинамические микрофоны появились сравнительно поздно из-за отсутствия достаточно мощных постоянных магнитов, нужную величину напряженности магнитного поля приходилось создавать с помощью больших электромагнитов.

Первый ленточный электродинамический микрофон был сделан Гарри Олсоном (Harry Olson) примерно в 1930 году, хотя принцип его был описан раньше, в 1924 году (Эрвин Герлах и Вальтер Шотке на фирме Siemens). Промышленный образец появился в 1942 году в компании RCA (рис. 6). В нем использовалась слегка гофрированная металлическая ленточка, которая двигалась под действием звуковой волны в магнитном поле, между полюсами постоянных магнитов, при этом в ней индуцировался переменный электрический ток. Первая модель такого микрофона, RCA PB-31, а затем и PB44А произвели своего рода революцию в звукозаписи, поскольку позволяли получить значительно лучшие характеристики и качество звучания.

Микрофоны такого типа выпускаются до настоящего времени в относительно больших количествах. Они обеспечивают довольно широкий диапазон частот, чистое и "теплое" звучание, поэтому широко используются в звукозаписи.

Динамический катушечный микрофон был реализован Аланом Блюмлайном в 30-х годах на фирме EMI с применением электромагнитов (хотя идея такого микрофона была запатентована В. Сименсом еще в 1878 году). Он использовал диафрагму из целлюлозы, покрытой алюминиевой фольгой, и прикрепленную к ней катушку из анодированного алюминия. С 1936 года модель такого микрофона HB1A (рис. 7) начала использоваться в звукозаписи на новой телевизионной студии BBC и звукозаписывающей студии фирмы EMI.

Позднее, после войны, с появлением мощных постоянных магнитов начался промышленный выпуск динамических катушечных микрофонов на фирмах AKG, Neumann и др., и в настоящее время это один их самых массовых типов микрофонов.

Принцип действия электродинамических катушечных микрофонов основан на том, что при воздействии звуковой волны на легкую диафрагму она начинает колебаться и приводит в движение связанный с ней проводник (звуковую катушку), помещенный в постоянное магнитное поле. При движении проводника с током в магнитном поле в нем индуцируется электрический сигнал, который затем усиливается и передается для дальнейшей обработки.

Электродинамические микрофоны обладают рядом преимуществ: устойчивостью к перегрузкам, стабильностью работы в различных климатических условиях, прочностью конструкции и др.

Электретные пленочные микрофоны были разработаны Герхардом Сесслером (Gerhard Sessler) и Джеймсом Вестом (James West) в 1962 году на фирме Bell Labs. В них для подвижной диафрагмы использовалась тонкая металлизированная поляризованная пленка, способная держать заряд, что позволило отказаться от устройств, обеспечивающих высокое постоянное напряжение (фантомное питание) на пластинах конденсатора. Это значительно облегчило технологию их изготовления и снизило стоимость. Поэтому электретные преобразователи в настоящее время нашли широкое применение в петличных микрофонах, сотовых телефонах, компьютерах и др.

Наряду с совершенствованием принципов преобразования постоянно проводились работы по созданию микрофонов с регулируемой характеристикой направленности: первые конденсаторные и угольные микрофоны были ненаправленными, ленточный микрофон имел направленность в виде "восьмерки". Впервые на фирме Western Electric была создана конструкция микрофона с характеристикой направленности в виде кардиоиды, объединяющая в одном капсюле ленточный микрофон ("восьмерка") и динамический (ненаправленный). На фирмах Neumann, AKG и др. были разработаны модели конденсаторных микрофонов с двумя диафрагмами, позволяющими создавать различные варианты характеристик направленности (круг, кардиоида, восьмерка, суперкардиоида и др.). Компания AKG в 1953 году выпустила первую модель микрофона C-12 со сдвоенными мембранами, ламповым усилителем и специальным блоком, позволяющим переключать характеристики направленности. Он выпускался до 1963 года, затем на смену ему пришла модель ELAM 251, которая пользовалась популярностью почти до настоящего времени.

Таким образом, к концу XX века в практике звукозаписи использовались, в основном, микрофоны следующих четырех типов: конденсаторные, электретные, динамические катушечные и ленточные. Однако поиски новых принципов преобразования акустического сигнала в электрический продолжаются.

Одним из наиболее перспективных направлений, которым на протяжении последних нескольких лет занимаются фирма Sennheiser совместно с израильской фирмой Phone-Or, является создание оптических микрофонов.

Оптические микрофоны используют принцип модуляции интенсивности лазерного светового луча: луч света от лазерного источника направляется по оптоволокну и освещает мембрану микрофона. При колебаниях мембраны световой поток модулируется (по интенсивности) и направляется по второму оптоволокну на фотодиод, который преобразует сигнал в переменный ток (рис. 8). При таком принципе не используется преобразование колебаний мембраны непосредственно в электрический сигнал, как в обычных микрофонах. Мембрана может быть вообще размещена на расстоянии несколько десятков (сотен) метров от источника света и фотодиода из-за низких потерь при передаче сигнала по оптоволокну (потери составляют меньше 3 дБ на 1 км оптоволокна). Микрофон не производит никаких электромагнитных излучений (ни за счет капсюля, где в других типах микрофонов обычно размещен предусилитель, ни за счет кабелей), и сам нечувствителен к электромагнитным, электростатическим и радиоактивным полям. Из-за малых размеров он может быть размещен в любом труднодоступным месте (при этом его трудно обнаружить известными методами) и может работать в сильных магнитных, электрических или радиополях.

Кроме вышеперечисленных, относительно давно были созданы пьезоэлектрические микрофоны, в которых в качестве преобразователя используются или пьезоэлектрические кристаллы (например, типа PZT), или керамика (например, пластины из титаната бария). После поляризации они приобретают свойства преобразовывать механические деформации в электрический ток (по этому же принципу работают пьезосниматели в электромузыкальных инструментах). Такие микрофоны обладают хорошей стабильностью, воспроизводят диапазон 80-6500 Гц (есть варианты до 16 кГц), имеют высокий выходной импеданс порядка 100 кОм, что требует нагрузочного импеданса 1-5 МОм (это хорошо согласуется, например, с ламповыми усилителями), чувствительность -30 дБ. Примером такой конструкции может служить модель Electro-Voice 951 (рис. 9), выпущенная в 1966 году.

Применение новых технологий позволило создать сверхминиатюрные MEMS-микрофоны (MEMS — микроэлектромеханические системы). Они называются также "микрофонные чипы" или "кремниевые микрофоны". В них используется конденсаторный или пьезоэлектрический тип преобразования (ведутся работы по применению оптических и других способов преобразования). Технология их изготовления была представлена в 1994 году на конгрессе AES Герхардом Сесслером (Технический университет г. Дармштадт, Германия). На кремниевую подложку напыляется материал мембраны. На заднюю поверхность подложки наносится защитный слой. Затем со стороны задней поверхности гравируются (вытравливаются) V-канавки. Примеры кремниевого микрофона на двух склеенных подложках и на одной подложке показаны на рис. 10. На одной кремниевой подложке находится мембрана с металлизированным слоем и V-канавками, на другой выгравированы сплошные отверстия и она служит неподвижным металлизированным электродом. Обе подложки склеены. Между ними находятся прокладки для формирования воздушного зазора. Под действием звуковой волны мембрана колеблется, изменяется емкость конденсатора и создается переменный электрический сигнал. Для такого микрофона необходим источник постоянного напряжения. Сейчас изучаются способы создания микрофонных чипов с электретным и пьезоэлектретным принципом преобразования.

Преимуществами микрофонных чипов являются малые размеры (площадь мембраны ~1 кв. мм), возможность интегрировать в этот же микрофонный чип усилители, АЦП, цифровые процессоры и другие устройства, создавать на одном чипе решетку таких микрофонов и с помощью цифровых процессоров формировать их характеристики направленности. Основные производители MEMS-микрофонов — фирмы Analog Devices, Akustica (AKU200x), Infineon (SMM310), Knowles Electronics, Memstech (MSMx), NXP Semiconductors, Sonion MEMS, AAC Acoustic Technologies и Omron.

Наряду с развитием и совершенствованием принципов преобразования в микрофонах акустической энергии в электрическую, начиная с 30-х годов ХХ века шли работы по совершенствованию их конструкций, как в отдельных типах микрофонов, так и в создании микрофонных систем. В 30-е годы, после появления патента Блюмлайна, посвященного стереотехнике (в звукозаписи, радиовещании и др.), начали развиваться стереосистемы микрофонов: XY, MS и др. В 60-80-е годы появилось огромное многообразие конструкций: микрофоны пограничного слоя (PZM), параболические микрофоны, остронаправленные микрофоны (shotgun), петличные (lavalier), "искусственная голова" и многие другие.

Перевод аудиотехники на цифровые методы обработки привел к появлению нового поколения пространственных систем звукозаписи и звукопередачи (Surround Sound), что обусловило появление цифровых микрофонов (типа Neumann Solution-D) и специальных микрофонных систем (например, Soundfield).

Подробнее об этом будет рассказано в следующих статьях.

Промышленное производство микрофонов в настоящее время достигает десятков миллионов штук в год. Разработкой и производством микрофонов занимаются такие фирмы как Neumann, Sennheiser, Beyerdynamic, AKG, Shure, Sony, DPA, Октава и многие другие.

Другие статьи серии
Микрофоны, часть 2. Параметры. Методы измерения.
Микрофоны, часть 3. Классификация микрофонов.
Микрофоны, часть 4. Классификация микрофонов по видам характеристик направленности.
Микрофоны, часть 5. Стереосистемы микрофонов.
Микрофоны, часть 6. Системы микрофонов для пространственной звукозаписи.

Первые угольные микрофоны

Впервые патент на микрофон получил американский изобретатель Эмиль Берлинер, но его изобретение — не первое устройство, способное усилить голос. Системы акустического звукоусиления существовали со времен античного театра. Комедии и трагедии представляли в открытых амфитеатрах, в стены и ряды были вмонтированы сосуды-резонаторы, а в маски актеров — рупоры.

В 1877 году Эмиль Берлинер усовершенствовал изобретение Александра Белла. Он сделал звук для передачи чище и сильнее. Это изменение и посчитали изобретением первого микрофона — передатчика с неплотным контактом для телефонии. В споре между двумя изобретателями суд выбрал сторону молодого Берлинера. Тогда Белл выкупил патент за 50 тысяч долларов, а оппонента принял работать на должность главного специалиста по телефонной технике в Bell Telephone Company.

Среди первооткрывателей микрофонных устройств называют также россиянина Павла Голубицкого и поляка Генриха Махальского. Но в мае 1878 года самым известным стало изобретение английского и американского физика Дэвида Хьюза, принцип работы которого был таким: заостренный стержень из угля соприкасался с двумя угольными чашами и имел точечное соединение с движущейся мембраной. Позже микрофон Хьюза много раз видоизменяли.

Эволюция микрофона

В послевоенные годы завод разработал студийный динамический микрофон РДМ, заменивший угольные микрофоны в системах звукозаписи и звукоусиления страны.

Современные микрофоны

К концу 1970-х годов в массовое производство вернулись конденсаторные микрофоны. На тульском электроакустическом заводе их выпуск достиг миллиона штук в год. Именно динамические и конденсаторные микрофоны — самые распространенные в наши дни.

Конденсаторные модели многие считают лучшими: они предназначены для передачи высоких частот, отличаются передачей качественного звука. Но выбор той или иной модели микрофона, во многом зависит от цели использования.

В сегодняшней линейке завода — вокальные микрофоны для профессиональных студийных записей МК-117, ламповые микрофоны МКЛ-5000 в ретро-стиле, которые ценят за теплоту звука, компактные микрофоны МК-012, которые используют в радиовещании, озвучивании кино, звукоусилении в театре и студиях звукозаписи.
Опыт работы с микрофоном показывает, что он является одним из лучших для записи акустических музыкальных инструментов.

Звучание этого микрофона оценил, к примеру, фронтмен группы Radiohead Том Йорк. Он записывал вокал для альбома OK Computer с помощью МК-012. К слову, альбом попал на вершину британских чартов, что стало для группы новым достижением. Новинка 2020 года — вокальный динамический микрофон МД-305, который сконструирован так, чтобы без искажений передавать голос вокалиста даже при высоком уровне громкости.

Прикрепленные файлы: 1 файл

ОСЗ Микрофоны.docx

Микрофон — электроакустический прибор, преобразовывающий звуковые колебания в колебания электрического тока, устройство ввода. Служит первичным звеном в цепочке звукозаписывающего тракта или звукоусиления. Микрофоны используются во многих устройствах, таких как телефоны и магнитофоны, в звукозаписи и видеозаписи, на радио и телевидении, для радиосвязи, а также для ультразвукового контроля и измерения. Возможно, человеческий голос и является самым выразительным музыкальным инструментом, но в подавляющем большинстве случаев для создания музыкальной ткани обойтись только им одним не представляется возможным. Кроме того, именно инструментальная музыка выражает сущность музыки как наиболее абстрактного из всех искусств, апеллирующего непосредственно к эмоциям в обход вербального восприятия. А в современном электрическом мире неотъемлемыми спутниками музыкальных инструментов являются микрофоны. Без сомнения, микрофон является самым известным и распространенным видом "созидающего" звукового оборудования. Даже те, кто бесконечно далек от звуковых технологий и не имеет никакого представления о звуковой технике, знают, как выглядит микрофон и для чего он нужен. Да и по возрасту это наиболее почтенный прибор - он существовал уже тогда, когда еще не было ни усилителей, ни громкоговорителей.

Современные микрофоны – это высокотехнологичные устройства с невероятными электрическими и частотными характеристиками. Есть проводные и без проводные, с регулятором уровня и без него. Однако общая конструктивная черта у всех у них практически идентична, причем за последние почти 100 лет она не претерпела особых изменений. Рассмотрим историю создания этого электронного прибора.

Стоит отметить, что в настоящее время используется несколько типов микрофонов: угольный, конденсаторный, электретный, динамический, динамический с катушкой, пьезоэлектрический и их разновидности. Об их особенностях и принципе действия мы поговорим в статье как работает микрофон, а сейчас все же ближе к истории.

Первым был угольный микрофон. Еще в 1856 году французский ученый Дю Монсель в своих исследованиях показал, что графитовые электроды даже при небольшом изменении площади соприкосновения проводников, значительно изменяют свое электрическое сопротивление. В 1877 году первый действующий микрофон на основе угольных стержней был создан американским изобретателем Эмилем Берлинером. Год спустя в 1878 другой американец Дэвид Эдвард Хьюз немного совершенствовал конструкцию соотечественника, прикрепив к одному заостренному угольному стержню мембрану.

Несколько лет спустя великий Томас Эдисон усовершенствовал конструкцию Хьюза, использовав вместо угольных стержней порошок. Кстати именно такой тип угольного микрофона (с угольным порошком) до сих пор используется в аналоговых телефонных аппаратах. Около 25 лет инженеры и изобретатели лишь совершенствовали угольный микрофон, не прибегая к изобретению каких-либо других кардинально отличающихся типов микрофонов.

Лишь в 1916 году инженер американской компании Bell Labs Эдуард Венте изобрел конденсаторный микрофон. В нем преобразование звука в электрический сигнал происходило не за счет изменения сопротивления, а в результате изменения емкости. Вначале 20-х годов японский ученый и инженер Ёгути создал разновидность этого вида – электретный микрофон.

В 1924 году немецкие ученые Гервин Эрлах и Вальтер Шоттки создают динамический микрофон. Он работал намного качественнее угольного, а по электрическим характеристикам был лучше конденсаторного.

Еще через год в 1925 году уже российские ученые Сергей Николаевич Ржевкин и Александр Иванович Яковлев создают пьезоэлектрический микрофон, в котором для преобразования давления воздуха в электрический сигнал использовался пьезоэлектрик. На основе такой конструкции позже бил создан гидрофон – микрофон, записывающий звуки под водой.

В 1931 году американские инженеры Альберт Терес и уже знакомый нам Эдуард Венте разрабатывают и создают динамический микрофон с катушкой. Именно этот вид микрофона до сих пор используется в звукозаписывающих компаниях, так как обладает наилучшими частотными характеристиками.

Принцип работы микрофона заключается в том, что давление звуковых колебаний воздуха, воды или твёрдого вещества действует на тонкую мембрану микрофона. В свою очередь, колебания мембраны возбуждают электрические колебания; в зависимости от типа микрофона для этого используются явление электромагнитной индукции, изменение ёмкости конденсаторов или пьезоэлектрический эффект.

Свойства акустико-механической системы сильно зависят от того, воздействует ли звуковое давление на одну сторону диафрагмы (микрофон давления) или на обе стороны, а во втором случае от того, симметрично ли это воздействие (микрофон градиента давления) или на одну из сторон диафрагмы действуют колебания, непосредственно возбуждающие её, а на вторую — прошедшие через какое-либо механическое или акустическое сопротивление или систему задержки времени (асимметричный микрофон градиента давления).

Большое влияние на характеристики микрофона оказывает его механоэлектрическая часть.

Функциональные виды микрофонов

- Микрофонный капсюль для телефонных аппаратов

- Микрофон для применения в радиогарнитурах

- Микрофон для скрытого ношения

Существует 4 основных типа микрофонов: динамические, ленточные, конденсаторные, электретные.

Динамические микрофоны включают в себя сборку из диафрагмы, голосовой катушки и магнита, которые образуют миниатюрный электрогенератор со звуковым приводом.

Динамический микрофон имеет относительно простую и соответственно экономичную и надежную конструкцию. Он может обеспечить отличное качество звука практически во всех областях применения. В частности, он может иметь дело с чрезвычайно громкими звуками. Вдобавок, динамические микрофоны относительно устойчивы к перепадам температуры и влажности. Динамические микрофоны используются в основных задачах звукоусиления.

Ленточный микрофон основан на том же принципе, что и динамический, но не имеет мембраны. Принцип работы этого микрофона заключается в том, что очень тоненькая алюминиевая ленточка почти свободно висит в магнитном поле. Ее колебания зависят от звукового давления по обеим ее сторонам. Ленточка очень чувствительна к ветру: подув на такой микрофон, можно запросто выдуть из него ленточку. Вместо нее используется маленькая полоска фольги, подвешенная в сильном поле и приводимая в движение непосредственно звуковой волной. Благодаря такой конструкции ленточный микрофон точнее передает звуки, особенно не слишком слабые, такие как речь, и поэтому хорошо подходит для речевого вещания. Но эти устройства почти никогда не применяются при видеосъемке: они слишком тяжелы для ручной штанги и не очень чувствительны. А, кроме того, сильный ветер может сбить ленту с правильного положения, что потребует дорогостоящего ремонта. Понятно, что в концертной практике такие микрофоны не нашли применения. Довольно редко их еще можно встретить на радио или в звукозаписывающих студиях в качестве раритета.

Конденсаторные микрофоны имеют в своей основе сборку из электрически заряженной диафрагмы и неподвижной пластины, которые образуют чувствительный к звуку конденсатор.

Электретные микрофоны работают аналогично конденсаторным, с тем отличием, что для их работы не требуется внешний источник питания. Мембрана таких микрофонов получает электрический заряд в процессе производства, и для их питания достаточно небольшого напряжения (обычно около 1,5 Вольта), которое обеспечивается установленной в микрофоне батареей. По сравнению с конденсаторными, мембрана электретных микрофонов значительно толще, поэтому их чувствительность и частотные характеристики несколько хуже. Появившиеся недавно обратно-электретные микрофоны несколько компенсируют этот недостаток.

Микрофоны любого типа оцениваются следующими характеристиками:

- акустическая характеристика микрофона

- уровень собственных шумов микрофона

Чувствительность микрофона определяется отношением напряжения на выходе микрофона к звуковому давлению Р0, как правило, в свободном звуковом поле, то есть при отсутствии влияния отражающих поверхностей. При распространении синусоидальной звуковой волны в направлении рабочей оси микрофона, это направление называется осевой чувствительностью:

Рабочей осью микрофона является направление его преимущественного использования и обычно совпадает с осью симметрии микрофона. Если конструкция микрофона не имеет оси симметрии, то направление рабочей оси указывается в технических условиях. Чувствительность современных микрофонов составляет от 1–2 (динамические микрофоны) до 10–15 (конденсаторные микрофоны) мВ/Па. Чем больше это значение, тем выше чувствительность микрофона.

Таким образом, микрофон с чувствительностью −75 дБ менее чувствителен, чем −54 дБ, а с обозначением 2 мВ/Па менее чувствителен, чем 20 мВ/Па. Для ориентировки : −54 дБ это то же, что и 2,0 мВ/Па. Также надо учесть, что если у микрофона меньше чувствительность, это вовсе не означает, что он хуже.

Частотная характеристика чувствительности

Частотная характеристика чувствительности (ЧХЧ) — это зависимость осевой чувствительности микрофона от частоты звуковых колебаний в свободном поле. Неравномерность ЧХЧ, как правило, измеряют в децибелах как двадцать логарифмов (по основанию 10) отношения чувствительности микрофона на определённой частоте к чувствительности на опорной частоте (в основном 1 кГц).

Влияние звукового поля микрофона оценивается акустической характеристикой, которая определяется отношением силы, действующей на диафрагму микрофона, и звуковым давлением в свободном звуковом поле: A = F/P, а потому, что чувствительность микрофона M = U/P можно представить как U/P = U/F • F/P и выразить через А. Тогда получим: M = A • U / F. Отношение напряжения на выходе микрофона к силе, действующей на диафрагму U/F, характеризует микрофон как электромеханический преобразователь. Акустическая характеристика определяет характеристику направленности микрофона. По виду акустической характеристики, а следовательно и характеристики направленности, отличают три типа микрофонов, как приёмников звука: приёмники давления; градиента давления; комбинированные.

Диаграмма направленности является одной из основных характеристик любого микрофона и описывает его способность реагировать на звуки, поступающие с различных направлений. В этом отношении различные микрофоны могут отличаться друг от друга очень сильно: одни, например, воспринимают звук более-менее равномерно во всех направлениях, а другие реагируют только на одно какое-нибудь направление и остаются "глухими" к звукам со всех остальных. Эти особенности следует учитывать при выборе микрофона для того или иного приложения.

Всенаправленный микрофон имеет одинаковый выходной уровень при любом направлении. Он покрывает все 360 градусов. Всенаправленный микрофон улавливает максимальное количество пространственных звуков. При концертном применении всенаправленный микрофон должен быть расположен очень близко к источнику звука, чтобы был правильный баланс между непосредственным и пространственным звуком. Вдобавок, мы не можем отвернуть всенаправленный микрофон в сторону от ненужных источников звука, таких как порталы, что может вызвать заводку (эффект обратной связи).

- зависимость от акустики помещения: не отсекают эхо;

- не обеспечивают акустическую изоляцию, разве что только при малом расстоянии от источника звука до микрофона;

- низкая чувствительность к звукам дыхания;

- практически отсутствует "эффект близости";

- расширенные низкие частоты у конденсаторных микрофонов, что очень полезно при работе с органом, бас барабаном и симфоническим оркестром.

Однонаправленный микрофон наиболее чувствителен к звуку, приходящему с одного направления, и менее чувствителен к остальным. Типичной для таких микрофонов является кардиоидная характеристика (диаграмма имеем форму сердца). При ней наибольшая чувствительность достигается на направлении вдоль оси микрофона (0 градусов), а наименьшая - в противоположном (180 градусов отклонения). Эффективный угол работы кардиоидного микрофона составляет 130 градусов, то есть по 65 градусов в любую сторону от оси перед микрофоном. Таким образом кардиоидный микрофон улавливает около трети пространственных звуков по сравнению со всенаправленным. Однонаправленные микрофоны отделяют нужный прямой звук от ненужных боковых и пространственных.

Применение кардиоидного микрофона часто необходимо. Например, в случае подзвучивания гитарного усилителя, стоящего рядом с ударной установкой - это единственный способ уменьшить проникновение звука ударных в канал гитары.

Микрофоны

Первые угольные микрофоны

Американский изобретатель Эмиль Берлинер первым запатентовал микрофон, но его изобретение не было первым устройством, способным усиливать голос. Системы акустического усиления существовали еще со времен древнего театра. Комедии и трагедии были представлены в открытых амфитеатрах с резонирующими сосудами, вмонтированными в стены и ряды, и рогами, вмонтированными в маски актеров.

В 1877 году Эмиль Берлинер усовершенствовал изобретение Александра Белла. Он сделал звук для передачи чище и громче. Это изменение рассматривается как изобретение первого микрофона, свободный контактный передатчик для телефонии. В споре между двумя изобретателями суд встал на сторону молодого берлинца. Затем Белл купил патент за 50 000 долларов и нанял своего оппонента в качестве главного инженера-телефониста в компании Bell Telephone.

Среди пионеров микрофонных устройств также называют русского Павла Голубицкого и польского Генриха Махальского. Но в мае 1878 года самым известным стало изобретение англо-американского физика Дэвида Хьюза, принцип действия которого заключался в следующем: заостренный стержень из углерода соприкасался с двумя углеродными чашами и имел точечное соединение с подвижной мембраной. Впоследствии микрофон Хьюза неоднократно модифицировался.

Устройство микрофона

Как работает микрофон с движущейся катушкой

Октавский конденсаторный микрофон МК-319 внутри

Принцип работы микрофона заключается в том, что давление звуковых колебаний от воздуха, воды или твердого вещества действует на тонкую мембрану микрофона. В свою очередь, колебания мембраны возбуждают электрические колебания; в зависимости от типа микрофона для этого используется явление электромагнитной индукции, изменение емкости конденсатора или пьезоэлектрический эффект.

Свойства акусто-механической системы сильно зависят от того, воздействует ли звуковое давление на одну сторону мембраны (микрофон с градиентом давления) или на обе стороны, и в последнем случае, симметричен ли эффект (микрофон с градиентом давления) или одна сторона мембраны непосредственно возбуждена вибрацией, а другая сторона подвергается какому-либо механическому или акустическому сопротивлению или системе задержки (микрофон с асимметричным градиентом давления).

На работу микрофона сильно влияет его механоэлектрическая часть.

Эволюция микрофона

Еще в 1920-х годах японский ученый Йогути изобрел электретный микрофон. Это связано с современным конденсаторным микрофоном по дизайну и принципу работы. История динамических микрофонов начинается в 1924 году, благодаря немецким ученым Эрлаху и Шотки. Первоначально их изобретение заменило конденсаторные микрофоны. А в 1925 году советские конструкторы Ржевкин и Яковлев создали пьезоэлектрический микрофон. В 1936 году в Октаве начал выпускаться первый динамический микрофон СССР.

В послевоенные годы на заводе был разработан динамичный студийный микрофон RDM, который заменил углеродные микрофоны в системах записи и звукоусиления страны.

Современные микрофоны

В конце 1970-х годов конденсаторные микрофоны вернулись в массовое производство. На Тульском электроакустическом заводе их производство достигло миллиона единиц в год. Именно динамичные и конденсаторные микрофоны являются наиболее распространенными на сегодняшний день.

Модели конденсаторов многие считают лучшими: они предназначены для передачи высоких частот и известны тем, что передают высококачественный звук. Но выбор той или иной модели микрофона во многом зависит от цели его использования.

В сегодняшнем ассортименте оборудования — вокальные микрофоны для профессиональной студийной записи МК-117, ламповые микрофоны МКЛ-5000 в ретро стиле, который ценится за теплый звук, компактные микрофоны МК-012, которые используются в эфире, дубляже фильмов, усиление звука в театрах и студиях звукозаписи.
Опыт работы с этим микрофоном показывает, что он является одним из лучших для записи акустических музыкальных инструментов.

Звук этого микрофона был по достоинству оценен, например, фронтменом Radiohead Томом Йорком. Он записал вокал для альбома OK Computer с MK-012. Кстати, альбом достиг вершины британских чартов, что стало новым достижением для группы. Новинкой 2020 года является динамический вокальный микрофон MD-305, который предназначен для передачи голоса певца без искажений даже на высоких уровнях громкости.

Читайте также: