Acoustic Design Systems
Домът на акустичните панели!

Блог » АБВ на Микрофоните

АБВ на Микрофоните и Основи на тяхната употреба

От: Acoustic Design Systems | 18/05/2018 | Категория: Електроакустика

Как работят?

При микрофоните има два основни принципа на работа: динамичен и кондензаторен. Динамичните микрофони се състоят от фина диафрагма, свързана с малка алуминиева намотка, която е поставена в силно магнитно поле. Когато звукът достигне до диафрагмата, той я раздвижва навътре и навън. Движението на намотката в постоянното магнитно поле образува напрежение в нея, което съответства на налягането, което е упражнено върху диафрагмата, както е показано на фиг. 1.

Динамичен микрофон диаграма

Звуковите вълни достигат мембраната (А) и произвеждат изходно напрежение (В).

Микрофони, използващи принципа на кондензатора, обикновено се наричат кондензаторни. Такива микрофони се състоят от фиксирана задна пластина, в близост до мембраната, както е показано на фиг. 2

Кондензаторен микрофон диаграма

Между задната плоча и мембраната се образува постоянен електрически заряд. Когато мембраната се задвижи под влияние на звуковите вълни, напрежението между плочата и мембраната се изменя и създава електрически импулси, предаващи се нататък по веригата.


Днес, поляризирания заряд, използван при повечето кондензаторни микрофони е "вграден" предварително в микрофона. Това става посредством електрет, постоянно наелектризиран слой върху плочата или на задната част на самата мембрана. Тези микрофони се наричат електретни микрофони. Външно поляризиране се използва при висококачествените студийни микрофони. На фиг. 3 е показан схематичен изглед на предварително поляризиран кондензаторен микрофон, с електретен материал разположен върху задната плоча.


Електретен микрофон диаграма

Всички кондензаторни микрофони са снабдени с предусилвател, който е поставен непосредствено след мембраната. Неговата задача е да превръща твърде високия електрически импеданс на кондензаторния елемент до подходящи стойности, така че сигнала лесно да бъде предаден чрез стандартен микрофонен кабел без съществени загуби. Някои преполяризирани (електретни) кондензаторни микрофони са директно захранвани с вътрешна 9-волтова батерия, както този, показан на диаграмата.

Другите кондензаторни микрофони се захранват с 48-волтов външен източник (т.нар. "фантомно захранване") от смесителния пулт или друго оборудване. Някои микрофони, като например AKG C1000S, са конструирани да работят и с 9-волтова батерия и с фантомно захранване

Насоченост на микрофоните

Кардиоид Суперкардиоид Хиперкардиоид

Най-основната характеристика за един микрофон е неговата триизмерна чувствителност. Около 90% от всички микрофони спадат към два основни вида чувствителност: омнидиректни (всеобхватни или ненасочени) и семейството на кардиоидните микрофони. Кардиоидите са насочени микрофони и имат три основни вариации - основният кардиоиден вид, хипер кардиоид и супер кардиоид.

Съществуват и т.нар. микрофони "пушка", съставени от дълга интерферентна тръба, която позволява висока степен на насоченост при средните и високите честоти. Този тип микрофони не се използва много често, но е полезен, когато трябва да се достигне отдалечен източник на звук..

Омнидиректна характеристика на микрофон

Омнидиректни

Фиг. 4 Показва основната омнидиректна характеристика в двуизмерна графика, известна още като полярна диаграма (А), докато триизмерната схема е показана на (В). Омнидиректната чувствителност се постига чрез ограничаване на звука, влизащ в микрофона отпред, фронтално на мембраната. По този начин, микрофона реагира еднакво на звука, който идва от всички посоки. При много високите честоти, разбира се, ще има малко разминаване и микрофона ще покаже предпочитание към звука, който пристига фронтално, но за повечето приложения, това е незабележимо.

Кардиоиден микрофон мембрана насоченост

Кардиоидни


Фиг. 5 показва детайлите на един кардиоиден микрофон. Забележете, че тук има два пътя към мембраната: единият е фронтално, а другия - през отворите отстрани. За звукови източници, които са разположени по оста, или имат 0 градуса ъгъл на падане, (показани на А), звука, който пристига фронтално ще бъде винаги водещ или по-силен от звука, който влиза през задния отвор. Това е така, защото той изминава по-кратко разстояние. За източник, който се намира отзад (180 градуса ъгъл на падане), двата звука, които пристигат до мембраната ще бъдат равни и противоположни и по този начин ще се неутрализират, както е показано на В. Използвано е акустично съпротивление в конструкцията на микрофона, което да осигури еднакъв път на фронталните и на задните вълни, които пристигат от източника, който се намира на ъгъл 180 градуса.

Полярна диаграма кардиоиден микрофон

За средните позиции на ъгъла на падане характеристиката ще варира, както е показано на полярната диаграма (6А). Триизмерната схема на кардиоидния вид е показана на 6В.

Вътрешната структура на кардиоидния микрофон е доста по-сложна, отколкото на омнидиректния. Трябва да се обърне особено внимание на задния път, така че неутрализирането на 180-градусовите източници да бъде еднакво за възможно най-голям обхват от честоти. Пример за отличен кардиоиден микрофон, измерен при 0, 90 и 180 грдуса е показан на фиг. 7. Както се вижда, намаляването на нивото при 180 градуса е от порядъка на 20 - 25 dB в средночестотния обхват, но кардиоидното действието намалява в двата края - при много високите и много ниските честоти

Хиперкардиоид и Суперкардиоид


Съществуват разновидности на основния кардиоиден вид, които могат да бъдат много полезни за определени приложения. Ако променим леко задния път на звука, то ъгъла, при който имаме най-слаб сигнал се променя. Има два допълнителни вида, които произтичат от тези промени и те се наричат хиперкардиоид и суперкардиоид. Тези видове притежават способността да променят "обсега" на микрофона и могат да бъдат много полезни при различни озвучителни системи, като осигуряват повече усилване преди микрофония, отколкото стандартния кардиоиден микрофон.

Някои важни характеристики на омнидиректните и кардиоидните микрофони

  • Омнидиректни


1. Повечето омни микрофони, особено кондензаторните, имат много равна честотна характеристика и затова са широко използвани за измервания.

2. Омнидиректните микрофони имат сравнително малко шум и не показват ефекта от близостта, изявен в повишаване на ниските честоти, който съществува при кардиоидите.

3. Поради тяхната добре уплътнена мембрана, омни микрофоните са относително по-здрави от кардиоидните.


  • Кардиоиди


1. Кардиоидният микрофон е насочен и има по-голям обсег по главната ос, докато чувствителността му в другите посоки е намалена.

Фиг. 8А показва сравнение между омни и кардиоиден микрофон, във величина еквивалентно работно разстояние. Това, което фигурата показва е, че кардиоидния микрофон може да се използва на разстояние 1.7 пъти от работното разстояние на омни, докато имаме същото средно ниво на шум в стаята. Хиперкардиоидът може да се използва при 2 пъти разстоянието на омни за същия ефект, а суперкардиоида - 1.9 пъти.

Когато става дума за dB при една и съща работна дистанция, кардиоидът ще отхвърля страничните звуци -4.8 dB по-ефективно от омни. За сравнение, суперкардиоидът - 5.8 dB, а хиперкардиоида -6 dB.

Омни кардиоид суперкардиоид хиперкардиоид микрофон

2. Ефекта от близостта е благословение и проклятие. Много певци обичат да увеличават ниските честоти на гласа си, като доближават микрофона по-близо до устата си. От друга страна, този ефект прави кардиоидните микрофони много чувствителни за шумове от боравенето с микрофона и от вятъра.

Фиг. 9 показва типичен ефект от близостта на кардиоиден микрофон.

Проксимити ефект микрофон

3. При нормални условия, кардиоидният микрофон предлага допълнителна защита от обратна връзка (микрофония), въпреки че вероятно не достига 4.8 dB както споменахме по-рано.

Докато един студиен инженер ще предпочете обикновен кардиоиден микрофон заради неговата 180 градусова нула, то един озвучител предпочита суперкардиоид или хиперкардиоид, заради техния допълнителен обсег и насоченост. Това може да бъде полезно на сцена, когато двама или повече изпълнители са близо един до друг.

Електрически аспекти на микрофоните

В тази част ще обсъдим пет точки: импеданс, чувствителност, ниво на собствен шум, точка на претоварване, захранване.

  • Импеданс

В модерната инженерингова практика кондензаторните микрофони имат вътрешен импеданс около 200 ома, докато динамичните варират от 200 до 800 ома. Основно тези стойности попадат в обхвата на обозначението "нисък импеданс". Всички те са проектирани да се свързват с модерните миксерни конзоли с номинален входен импеданс от 3000 ома и повече. Предимството на ниско-импедансните микрофони е, че те могат да бъдат използвани на доста голямо разстояние от пулта без съществени загуби. Разстояние до 180м, което се среща рядко при нормални приложения е безпроблемно. Ако ниско-импедансните кабели са балансирани, те остават слабо чувствителни към външните електрически смущения.

  • Чувствителност

При измерване (и калибриране) чувствителността на микрофон, той се поставя в звуково поле, в което нивото на звуковото налягане от 94dB на 1000Hz остава постоянно. 94 dB е ниво на звуковото налягане, равно на един Паскал (Pa). Измерва се ненатовареното изходно напрежение и се определя номиналната чувствителност.


Чувствителността също се дава и в dB отнесени към 1 волт, означение познато като dBV. Следващата таблица ни дава информация за чувствителността на някои AKG микрофони:

 МоделТип Чувствителност dBV 
 C414B/ULS Кондензаторен (multi-pattern)
 12.5 mV/Pa
 - 38
 C480 CK61
Кондензаторен (multi-capsule) 10 mV/Pa
 - 40
 C535EBКондензаторен (вокал/инстр.) 7 mV/Pa
 - 43
 C3000Кондензаторен електрет 11 mV/Pa
 - 39
 C3800 Динамичен (вокал)
 2.8 mV/Pa
 - 51
 D770 Динамичен (вокал/инстр.)
 2.5 mV/Pa
 - 52
 D58 Динамичен (неутрализ.шум)
 0.72 mV/Pa
 - 63

(Уравнението за превръщане на mV/Pa в dBV е dBV = 20 log (mV/Pa) - 60)

  • Ниво на собствен шум

Вътрешния шум на кондензаторен микрофон е нивото на шума, което произвежда микрофона, когато той е поставен в изолирана от други шумове среда. Като пример един микрофон, който има ниво на вътрешен шум 15 dBА произвежда същото ниво, както и съвършен микрофон, поставен в стая с околен шум 15 dBА. При динамичните микрофони не се измерва нивото на вътрешен шум, тъй като то зависи от чувствителността и използваните електрически елементи.

В много случаи можем да пренебрегнем собствения шум на микрофоните, защото обикновено акустичния шум в работната среда е значително по-висок.

  • Точка на претоварване

Ефективната горна граница на нивото на звуковото налягане, което един микрофон може да понесе, преди да произведе изкривявания. Производителите са възприели като правило стойности за изкривявания от 0,5% или 1%.

При динамичните микрофони се отбелязва стойността на нивото на звуково налягане, при което хармоничните изкривявания са в обхвата 1% и 3%.

Фантомно захранване
  • Захранване

Всички кондензаторни микрофони се нуждаят от някакъв вид захранване, затова имат и предусилвателна секция. Много електретни микрофони имат 9 волтова батерия, от която се захранват. Всички не-електретни кондензаторни микрофони се захранват от универсалното "фантомно" захранване, показано на фиг. 10.

Фантомното захранване покрива номинални стойности от 12, 24 и 48 волта, като толеранса е достатъчен повечето микрофони да могат да се захранят между 9 и 48V.

Основни принципи при употреба на микрофоните

  • Взаимодействие на няколко микрофона

Понякога хората имат желание да използват твърде много микрофони, но често важи правилото, че по-малкото е повече. Множество отворени микрофони не само, че причиняват оцветяване на честотната характеристика от гребеновия ефект, но също така правят системата по-лесно податлива на обратна връзка. Сега ще илюстрираме някои от най-често срещаните проблеми.

  • Правилото три към едно

Фиг. 11 А ни показва правилния начин да покрием двама изпълнители, които са застанали на близко разстояние и всеки един има микрофон. Ако разстоянието между микрофоните е поне три пъти по-голямо от разстоянието между микрофона и прилежащия му изпълнител, то сигнала от отдалечения изпълнител до нашия микрофон ще бъде 10 dB по-слаб, което няма да представлява проблем.

Ако все пак източник 1 е по-силен от източник 2, както е показано на фиг. 11В, тогава по-слабият изпълнител ще трябва да си приближи микрофона.

правило 3 към 1 за разположение на микрофони

  • Комбинирани микрофони на подиум


Ако два микрофона се комбинират, така че говорителя винаги да бъде озвучен, то би трябвало да се положат и допълнителни грижи, за да бъде начинанието правилно и успешно. Фиг. 12А показва как постъпват неопитните хора. Тук два микрофона са поставени далеч един от друг, като и двата покриват цялото местоположение на говорителя. Това е неправилен начин за построяване на системата. Правилният начин е показан на фиг. 12Б. Двата микрофона трябва да бъдат поставени един до друг и наклонени така, че техният общ ъгъл на покритие да обхване всяка позиция на говорителя.

Разположение на микрофони

Какъв е проблема? В случая от фиг. 12А има само една правилна позиция за говорителя. Той трябва да стои само в центъра на равно разстояние от двата микрофона. Ако той се отдалечи от тази позиция, относителното забавяне на звука ще предизвика вмешателство и някои честоти ще се неутрализират, а други ще се усилят. Това е т.нар. гребенов ефект.

  • Отражения от близкостоящи повърхности

Отражения  микрофон

Фиг. 13А показва обикновените проблеми при озвучаване и запис. Отражателната повърхност може да бъде повърхността на маса, амвон, стена или под. В случая изобразен на картинката, има два ефективни източника на звук - основния и отразения. При микрофона те се съединяват със закъснение между тях, като произвеждат честотна характеристика на звука, подобна на показаната на фиг. 13А. Правилото, което трябва да се спазва е: микрофона, максимално далеч от отражателна повърхност или да се монтира директно върху самата повърхност, както е показано на фиг. 13В, което прави директния и отразения звук да имат почти едно и също време.

Помнете също, че с омнидиректни микрофони ефекта е дори по-лош, тъй като този вид почти не разграничава звука, идващ от главната ос и отстрани.

Проблема с отраженията от стените и пода през последните две десетилетия даде възможност за възхода на така наречените boundary /повърхностни/ микрофони. Те са направени да се монтират върху равна повърхност, където да приемат и директните, и отразените сигнали в една и съща фаза. В резултат на това, на изхода на такъв микрофон ще имаме двойно по-високо ниво (+6dB), отколкото от един микрофон, поставен далеч от повърхността. Първите версии на тези микрофони обикновено били омнидиректни, но в момента са произвеждат и микрофони от семейството на кардиоидите.

  • Вятърът и микрофоните. Не ги смесвайте!

Без значение дали е на открито или в зала, задължително е да пазим микрофоните от вятър, особено насочените. Никога не духайте в микрофона, за да разберете дали работи! Това е наказание за слушателите, също така предизвиква риск от навлажняване и повреда на мембраната на микрофона. Учудващо е колко много хора, които редовно говорят на обществени места, никога не са били научени на елементарните правила за използване на микрофоните.

Правилото, за предотвратяване на шума от вятъра и "поп" ефекта, предизвикан от силната струя въздух, създавана при изговарянето на някои съгласни, е да държим микрофона на една страна (около 45 градуса), насочен към устата на говорителя, без да му позволяваме да говори директно в микрофона.

Микрофонна техника