Kako radi mikrofon, vrste mikrofona

Za pretvaranje zvučnih vibracija u električnu struju koriste se posebni elektroakustički uređaji zvani mikrofoni. Naziv ovog uređaja povezan je s kombinacijom dviju grčkih riječi, koje se prevode kao "mali" i "glas".

Mikrofon je pretvarač akustičnih vibracija u zraku u električne vibracije.

Princip rada mikrofona je da zvučne vibracije (zapravo fluktuacije tlaka zraka) utječu na osjetljivu membranu uređaja, a već vibracije membrane uzrokuju generiranje električnih vibracija, budući da je membrana ta koja je povezana s dijelom uređaja koji stvara električnu struju, a čiji uređaj ovisi o vrsti mikrofona.

Na ovaj ili onaj način, danas se mikrofoni naširoko koriste u raznim područjima znanosti, tehnologije, umjetnosti itd. Koriste se u audio opremi, u mobilnim napravama, koriste se u glasovnoj komunikaciji, snimanju glasa, u medicinskoj dijagnostici i ultrazvučnom istraživanju.oni služe kao senzori, au mnogim, mnogim drugim područjima ljudske djelatnosti jednostavno se ne može bez mikrofona u ovom ili onom obliku.

Mikrofoni imaju različite dizajne, jer su u različitim vrstama mikrofona različiti fizički fenomeni odgovorni za generiranje električnih oscilacija, a glavni su: električni otpor, elektromagnetska indukcija, promjena kapaciteta i piezoelektrični učinak... Danas, prema principu uređaja, mogu se razlikovati tri glavne vrste mikrofona: dinamički, kondenzatorski i piezoelektrični. No, zasad su ponegdje dostupni i karbonski mikrofoni s kojima ćemo započeti recenziju.

Karbonski mikrofon

Godine 1856. francuski znanstvenik Du Monsel objavio svoje istraživanje, koje je pokazalo da se čak i s malom promjenom kontaktne površine grafitnih elektroda, njihov otpor protoku električne struje značajno mijenja.

Dvadeset godina kasnije, američki izumitelj Emil Berliner stvorio je prvi karbonski mikrofon na svijetu temeljen na ovom efektu. To se dogodilo 4. ožujka 1877. godine.

Rad Berlinerovog mikrofona temeljio se upravo na svojstvu kontakta ugljičnih šipki za promjenu otpora kruga zbog promjene u vodljivom kontaktnom području.

Već u svibnju 1878. godine dat je razvoj izuma David Hughes, koji je ugradio grafitnu šipku sa šiljastim krajevima i na nju pričvršćenu membranu između para karbonskih čašica.

Kada membrana vibrira od djelovanja zvuka na nju, mijenja se i kontaktna površina šipke s čašicama, a time i otpor električnog kruga na koji je šipka spojena. Kao rezultat toga, struja u krugu se promijenila nakon vibracija zvuka.

Thomas Alva Edison otišao još dalje - šipku je zamijenio ugljenom prašinom. Autor najpoznatijeg dizajna karbonskog mikrofona je Anthony White (1890). Upravo se ti mikrofoni još uvijek mogu naći u slušalicama starih analognih telefona.

Karbonski mikrofon dizajniran je i radi na sljedeći način. Ugljični prah (granule) zatvoren u zatvorenoj kapsuli nalazi se između dvije metalne ploče. Jedna od ploča na jednoj strani kapsule povezana je s membranom.

Kada zvuk djeluje na membranu, ona vibrira, prenoseći vibracije na ugljičnu prašinu. Čestice prašine vibriraju, s vremena na vrijeme mijenjajući područje međusobnog kontakta. Dakle, električni otpor mikrofona također fluktuira, mijenjajući struju u krugu u koji je priključen.

Prvi mikrofoni bili su spojeni u seriju s galvanskom baterijom kao izvor napona.

Kada se takav mikrofon spoji na primarni namot transformatora, moguće je eliminirati zvuk koji fluktuira u vremenu sa zvukom koji djeluje na membranu iz njegovog sekundarnog namota napon… Karbonski mikrofon ima visoku osjetljivost, što ga u nekim slučajevima čini mogućim korištenje čak i bez pojačala. Iako karbonski mikrofon ima značajan nedostatak — prisutnost značajnih nelinearnih izobličenja i šuma.

Kondenzatorski mikrofon

Kondenzatorski mikrofon (koji se temelji na principu promjene električnog kapaciteta pod utjecajem zvuka) izumio je američki inženjer Edward Wente godine 1916Sposobnost kondenzatora da mijenja kapacitet ovisno o promjeni razmaka između njegovih ploča bila je već tada dobro poznata i proučavana.

Dakle, jedna od ploča kondenzatora ovdje djeluje kao tanka pomična membrana osjetljiva na zvuk. Membrana se zbog svoje tankoće pokazuje laganom i osjetljivom, budući da se za njezinu izradu tradicionalno koristi tanka plastika s najtanjim slojem zlata ili nikla. U skladu s tim, druga ploča kondenzatora mora biti nepomično pričvršćena.

Kada izmjenični zvučni tlak djeluje na tanku ploču, uzrokuje njezino vibriranje—ili kretanje prema drugoj ploči kondenzatora, a zatim dalje od nje. U ovom slučaju, električni kapacitet takve vrste promjenjivog kondenzatora varira i mijenja se. Kao rezultat toga, u električnom krugu u kojem je ovaj kondenzator uključen, struja oscilacija ponavlja oblik zvučnog vala koji pada na membranu.

Radno električno polje između ploča stvara se vanjskim izvorom napona (npr. baterijom) ili početnim nanošenjem polariziranog materijala kao premaza za jednu od ploča (elektret mikrofon je vrsta kondenzatorskog mikrofona).

Ovdje se mora koristiti pretpojačalo, budući da je signal vrlo slab, budući da se promjena kapacitivnosti od zvuka pokazuje izuzetno malom, membrana jedva primjetno vibrira. Kada krug pretpojačala poveća amplitudu audio signala, već pojačani signal se usmjerava na pojačalo… Otuda prva prednost kondenzatorskih mikrofona — oni su super osjetljivi čak i na vrlo visokim frekvencijama.

Dinamički mikrofon

Rođenje dinamičkog mikrofona zasluga je njemačkih znanstvenika Gervin Erlach i Walter Schottky… Godine 1924. predstavili su novu vrstu mikrofona, dinamički mikrofon, koji je daleko nadmašio svog ugljičnog prethodnika u pogledu linearnosti i frekvencijskog odziva, te nadmašio kondenzatorski pandan u njegovim izvornim električnim parametrima. Stavili su valovitu vrpcu vrlo tanke (debele oko 2 mikrona) aluminijske folije u magnetsko polje.

Godine 1931. model su poboljšali američki izumitelji. Tøres i Vente… Ponudili su dinamički mikrofon s induktorom… Ovo se rješenje još uvijek smatra najboljim za studije za snimanje.

Dinamički mikrofon se temelji na fenomen elektromagnetske indukcije… Membrana je pričvršćena na tanku bakrenu žicu omotanu oko lagane plastične cijevi u stalnom magnetskom polju.

Zvučne vibracije djeluju na membranu, membrana vibrira ponavljajući oblik zvučnog vala, prenoseći svoje pokrete na žicu, žica se kreće u magnetskom polju i (u skladu sa zakonom elektromagnetske indukcije) inducira se električna struja u žici, ponavljajući oblik zvuka, padajući na membranu.

Budući da je žica s plastičnim nosačem prilično lagana konstrukcija, ispada da je vrlo pokretljiva i vrlo osjetljiva, a izmjenični napon induciran elektromagnetskom indukcijom je značajan.

Elektrodinamički mikrofoni se dijele na mikrofone sa zavojnicom (opremljeni dijafragmom u prstenastom otvoru magneta), vrpčaste mikrofone (kod kojih kao materijal zavojnice služi valovita aluminijska folija), izodinamičke itd.

Klasični dinamički mikrofon je pouzdan, ima širok raspon amplitudne osjetljivosti u audio frekvencijskom području i jeftin je za proizvodnju. Međutim, nije dovoljno osjetljiv na visokim frekvencijama i slabo reagira na nagle promjene zvučnog tlaka — to su dva njegova glavna nedostatka.

Dinamički vrpčasti mikrofon razlikuje se po tome što magnetsko polje stvara permanentni magnet s polnim nastavcima između kojih se nalazi tanka aluminijska traka koja je zamjena za bakrenu žicu.

Traka ima visoku električnu vodljivost, ali je inducirani napon mali, pa se mora dodati u krug pojačani transformator… Korisni zvučni signal uklanja se u takvom krugu pomoću sekundarnog namota transformatora.

Trakasti dinamički mikrofon pokazuje vrlo ujednačen frekvencijski raspon za razliku od konvencionalnog dinamičkog mikrofona.

Kao trajni magnetski materijal, mikrofoni koriste tvrde magnetske legure s visokom zaostalom indukcijom (npr. NdFeB). Tijelo i prsten izrađeni su od mekih magnetskih legura (npr. elektročelik ili permaloid).

Piezoelektrični mikrofon

Novu riječ u audio tehnologiji izgovorili su ruski znanstvenici Rževkin i Jakovljev 1925. godine. Predložili su temeljno novi pristup pretvaranju zvuka u strujne oscilacije — piezoelektrični mikrofon. Djelovanje zvučnog tlaka izloženo je piezoelektrični kristal.

Zvuk djeluje na membranu spojenu na šipku, koja je pak pričvršćena na piezoelektrik. Piezo kristal se deformira pod djelovanjem vibracija šipke, a na njegovim se terminalima pojavljuje napon koji ponavlja oblik upadnog zvuka. Ovaj napon se koristi kao koristan signal.