Hur en mikrofon fungerar, typer av mikrofoner
Särskilda elektroakustiska enheter som kallas mikrofoner används för att omvandla ljudvibrationer till elektrisk ström. Namnet på denna enhet är relaterat till en kombination av två grekiska ord, som översätts som "liten" och "röst".
En mikrofon är en omvandlare av akustiska vibrationer i luften till elektriska vibrationer.
Funktionsprincipen för mikrofonen är att ljudvibrationer (faktiskt lufttrycksfluktuationer) påverkar enhetens känsliga membran, och redan membranets vibrationer orsakar generering av elektriska vibrationer, eftersom det är membranet som är anslutet till delen av enheten som genererar elektrisk ström, vars enhet beror på typen av specifik mikrofon.
På ett eller annat sätt används idag mikrofoner flitigt inom olika områden inom vetenskap, teknik, konst etc. De används i ljudutrustning, i mobila prylar, används i röstkommunikation, röstinspelning, vid medicinsk diagnostik och i ultraljudsforskning.de fungerar som sensorer, och inom många, många andra områden av mänsklig aktivitet kan man helt enkelt inte klara sig utan en mikrofon i en eller annan form.
Mikrofoner har olika design, för i olika typer av mikrofoner är olika fysiska fenomen ansvariga för att generera elektriska svängningar, de viktigaste är: elektrisk resistans, elektromagnetisk induktion, förändring i kapacitet och piezoelektrisk effekt... Idag, enligt enhetens princip, kan tre huvudtyper av mikrofoner särskiljas: dynamiska, kondensor och piezoelektriska. Kolmikrofoner finns dock även på vissa ställen än så länge, och vi kommer att börja vår recension med dem.
Kolmikrofon
1856, en fransk vetenskapsman Du Monsel publicerade sin forskning, som visade att även med en liten förändring i kontaktytan för grafitelektroder förändras deras motstånd mot flödet av elektrisk ström ganska avsevärt.
Tjugo år senare, en amerikansk uppfinnare Emil Berliner skapade världens första kolmikrofon baserad på denna effekt. Detta hände den 4 mars 1877.
Funktionen av Berliner-mikrofonen var exakt baserad på egenskapen att kontakta kolstavar för att ändra kretsens motstånd på grund av en förändring i den ledande kontaktytan.
Redan i maj 1878 gavs utvecklingen av uppfinningen David Hughes, som installerade en grafitstav med spetsiga ändar och ett membran fäst på den mellan ett par kolkoppar.
När membranet vibrerar från verkan av ljud på det, ändras också stavens kontaktyta med kopparna, och det gör också motståndet i den elektriska kretsen som staven är ansluten till. Som ett resultat förändrades strömmen i kretsen efter ljudets vibrationer.
Thomas Alva Edison gick ännu längre — han ersatte staven med koldamm. Författaren till den mest kända designen av kolmikrofonen är Anthony White (1890). Det är dessa mikrofoner som fortfarande finns i headseten på gamla analoga telefoner.
Kolmikrofonen är designad och fungerar enligt följande. Kolpulvret (granulat) inneslutet i en förseglad kapsel är placerad mellan de två metallplattorna. En av plattorna på ena sidan av kapseln är ansluten till membranet.
När ljud verkar på membranet vibrerar det och överför vibrationerna till koldammet. Dammpartiklarna vibrerar och ändrar kontaktområdet med varandra då och då. Således fluktuerar också mikrofonens elektriska motstånd, vilket ändrar strömmen i kretsen där den är ansluten.
De första mikrofonerna kopplades i serie med ett galvaniskt batteri som spänningskälla.
När en sådan mikrofon är ansluten till transformatorns primärlindning är det möjligt att eliminera ljudet som fluktuerar i takt med ljudet som verkar på membranet från dess sekundära lindning Spänning… Kolmikrofonen har en hög känslighet, vilket gör det möjligt att i vissa fall använda den även utan förstärkare. Även om kolmikrofonen har en betydande nackdel — förekomst av betydande icke-linjära störningar och brus.
Kondensatormikrofon
Kondensatormikrofonen (som är baserad på principen om att ändra elektrisk kapacitet under påverkan av ljud) uppfanns av en amerikansk ingenjör Edward Wente år 1916Kondensatorns förmåga att ändra kapacitans beroende på förändringen i avståndet mellan dess plattor var redan välkänd och studerad vid den tiden.
Så en av kondensatorplattorna fungerar här som ett tunt rörligt membran som är känsligt för ljud. Membranet visar sig vara lätt och känsligt på grund av dess tunnhet, eftersom tunn plast med det tunnaste lagret av guld eller nickel traditionellt används för dess tillverkning. Följaktligen måste den andra kondensatorplattan fixeras stationärt.
När det alternerande ljudtrycket verkar på en tunn platta, får den den att vibrera – eller röra sig mot, sedan bort från, den andra kondensatorplattan. I detta fall varierar och förändras den elektriska kapaciteten hos en sådan typ av variabel kondensator. Som ett resultat, i den elektriska kretsen i vilken denna kondensator ingår, elektricitet oscillation som upprepar formen av ljudvågen som faller på membranet.
Det elektriska fältet mellan plattorna skapas antingen av en extern spänningskälla (t.ex. ett batteri) eller genom att initialt applicera ett polariserat material som beläggning för en av plattorna (en elektretmikrofon är en typ av kondensatormikrofon).
En förförstärkare måste användas här, eftersom signalen är mycket svag, eftersom förändringen i kapacitans från ljudet visar sig vara extremt liten, vibrerar membranet knappt märkbart. När förförstärkarkretsen ökar ljudsignalens amplitud, dirigeras den redan förstärkta signalen sedan till förstärkaren… Därav den första fördelen med kondensatormikrofoner — de är superkänsliga även vid mycket höga frekvenser.
Dynamisk mikrofon
Födelsen av en dynamisk mikrofon är tyska forskares ära Gervin Erlach och Walter Schottky… 1924 introducerade de en ny typ av mikrofon, den dynamiska mikrofonen, som vida överträffade sin kolföregångare när det gäller linjäritet och frekvenssvar, och överträffade sin kondensatormotsvarighet i sina ursprungliga elektriska parametrar. De placerade ett korrugerat band av mycket tunn (ca 2 mikron tjock) aluminiumfolie i ett magnetfält.
1931 förbättrades modellen av amerikanska uppfinnare. Tøres och Vente… De erbjöd en dynamisk mikrofon med en induktor… Den här lösningen anses fortfarande vara den bästa för inspelningsstudior.
Den dynamiska mikrofonen är baserad på fenomenet elektromagnetisk induktion… Membranet är fäst vid en tunn koppartråd lindad runt ett lätt plaströr i ett permanent magnetfält.
Ljudvibrationer verkar på membranet, membranet vibrerar, upprepar ljudvågens form, medan det överför sina rörelser till tråden, rör sig tråden i ett magnetfält och (i enlighet med lagen om elektromagnetisk induktion) induceras en elektrisk ström i tråden, upprepar ljudets form, faller på membranet.
Eftersom en tråd med plaststöd är en ganska lätt konstruktion visar den sig vara mycket mobil och mycket känslig, och växelspänningen som induceras av elektromagnetisk induktion är betydande.
Elektrodynamiska mikrofoner är uppdelade i spolmikrofoner (utrustade med ett membran i magnetens ringformiga gap), bandmikrofoner (där korrugerad aluminiumfolie fungerar som spolmaterial), isodynamiska, etc.
Den klassiska dynamiska mikrofonen är pålitlig, har ett brett spektrum av amplitudkänslighet i ljudfrekvensområdet och är billig att tillverka. Den är dock inte tillräckligt känslig vid höga frekvenser och reagerar dåligt på plötsliga förändringar i ljudtrycket - det är två av dess främsta nackdelar.
En dynamisk bandmikrofon skiljer sig genom att magnetfältet skapas av en permanentmagnet med polbitar, mellan vilka det finns en tunn aluminiumremsa, som ersätter koppartråd.
Bandet har hög elektrisk ledningsförmåga, men den inducerade spänningen är liten, så den måste läggas till kretsen step-up transformator… En användbar ljudsignal tas bort i en sådan krets av transformatorns sekundärlindning.
En dynamisk bandmikrofon uppvisar ett mycket enhetligt frekvensområde till skillnad från en konventionell dynamisk mikrofon.
Som ett permanentmagnetmaterial använder mikrofoner hårda magnetiska legeringar med hög restinduktion (t.ex. NdFeB). Kroppen och ringen är gjorda av mjuka magnetiska legeringar (t.ex. elektriskt stål eller permaloid).
Piezoelektrisk mikrofon
Ett nytt ord inom ljudteknik talades av de ryska forskarna Rzhevkin och Yakovlev 1925. De föreslog ett fundamentalt nytt tillvägagångssätt för att omvandla ljud till nuvarande svängningar - en piezoelektrisk mikrofon. Ljudtryckets verkan utsätts för piezoelektrisk kristall.
Ljudet verkar på ett membran kopplat till en stav, som i sin tur är fäst vid en piezoelektrisk. Piezokristallen deformeras under verkan av vibrationer från staven, och en spänning uppträder vid dess terminaler, som upprepar formen av det infallande ljudet. Denna spänning används som en användbar signal.