На сегодня отечественная промышленность предлагает радиолюбителям малогабаритные динамические микрофоны, которые находят применение в звукозаписи, звукопередаче, звукоусилении, а также в различных системах связи, что вызывает растущий интерес к данным устройствам.
Потребительские свойства телефонных аппаратов. Принципы построения микрофона и телефона
Хотя угольные микрофоны обеспечивают относительно приемлемое качество передачи речевого сигнала, научно-технический прогресс продолжает развивать микрофоны, основанные на других физических принципах. В современных телефонных устройствах все чаще используются конденсаторные и электретные микрофоны, которые обладают улучшенными электроакустическими и техническими параметрами:
- широкий диапазон частот;
- минимальная неравномерность частотной характеристики;
- небольшие нелинейные и временные искажения;
- высокая чувствительность;
- низкий уровень собственных шумов.
Один из основных принципов работы микрофона заключается в использовании элемента, представляющего собой конденсатор, который состоит из одной подвижной и одной неподвижной обкладки. Эта конструкция изменяет емкость в зависимости от звукового давления (см. рис. 1.4). Когда мембрана микрофона колеблется, емкость конденсатора изменяется с частотой звуковых волн, воздействующих на мембрану. В результате этого в электрической цепи возникает переменный ток аналогичной частоты, что приводит к генерации переменного напряжения на нагрузочном сопротивлении — это становится выходным сигналом микрофона.
Рис. 1.4. Внутренняя схема конденсаторного микрофона
Однако основным недостатком данного принципа является потребность в внешнем источнике питания, таком как мини-аккумулятор. Этапом дальнейшего развития этого типа стали электретные микрофоны, которые обладают определёнными преимуществами.
На рисунке 1.5 представлено одно из решений подключения электретного микрофона. Работают электретные микрофоны схоже с конденсаторными, но, в отличие от последних, они могут заранее накапливать постоянное напряжение благодаря заряду электрета, который тонким слоем наносят на мембрану. Этот заряд способен сохраняться в течение длительного времени – свыше 30 лет. Это обстоятельство устраняет необходимость в дополнительном источнике питания. Кроме того, электретные микрофоны предпочтительнее угольных, поскольку они более чувствительные и доступные по цене. Тем не менее, у них есть ограничения: они подвержены помехам от бытовых электроприборов и внешних факторов.
Рис. 1.5. Внутренняя схема электретного микрофона
Поскольку электродвижущая сила (ЭДС), создаваемая микрофоном, имеет невысокое значение, она подается на усилительный блок, выполненный на основе МОП-транзистора, который получает питание через абонентскую линию. Также благодаря этому техническому решению удается снизить выходное сопротивление до приемлемого уровня.
Некоторые примеры исполнения микрофонов
Рассмотрев теоретические аспекты, связанные с разработкой микрофонов, мы сталкиваемся с множеством практических задач, касающихся их эксплуатационных характеристик (влияние климатических условий, возможность переноски микрофона, акустические параметры) и особенностей используемых материалов.
Таким образом, имеет смысл обратить внимание на наиболее распространенные в России капсульные микрофоны моделей МК (микрофон капсульный) – МК-16 и МК-10. На схеме 1.9 и 1.26 видны эти устройства.
Корпус модели МК-10 (см. рис. 1.6а) выполнен из латуни, а его внутренняя поверхность покрыта изоляционным лаком. Внутри штампованного корпуса 5 установлен латунный цилиндрический электрод 1, который покрыт сверху слоем палладия. Внутрь корпуса помещен угольный порошок 2, весом 1.25 грамма.
Микрофонные капсюли МК-10 (а) и МК-16 (б): 1,3 — электроды, 2 — угольный порошок, 4 — мембрана, 5, 14 — корпуса из латуни и фенопласта, 6 — основание, 7, 8 — крышки, 9, 13 — влагозащитная и капроновая прокладки (пленки), 10 — изолирующая втулка, 11 — контакт, 12 — ободок.
Электрод 1 изолирован от корпуса с помощью шайбы и втулки 10. Электрод 3 выполнен из тонкой латуни в виде полой чашечки, которая надежно закреплена в центре лёгкой металлической мембраны 4, края которой фиксированы кольцом. Электрод 3 погружен внутрь угольного порошка 2 (при этом его поверхность, соседствующая с угольным порошком, защищена слоем палладия).
Помимо мембраны и угольного порошка, имеется эластичная пленка 9, которая стягивает два полых цилиндрических стаканчика подвижного электрода вместе с мембраной. Крышка 8, закрепленная сверху, имеет отверстия для поступления звуковых волн. Второй защитный элемент, крышка 7, предназначен для защиты от влаги.
В процессе эксплуатации, даже при горизонтальном положении, сохраняется цепь прохождения электрического тока от одного электрода к другому, так как почти вся объемная камера микрофона заполнена порошком, который надежно окружает электроды. Поэтому микрофонный капсюль МК-10 считается безобрывным, обладает хорошей влагостойкостью и адекватной механической прочностью.
В телефонных системах используются микрофоны, имеющие различные значения сопротивления – низкоомные, среднеомные и высокоомные. Параметры сопротивления микрофонов зависят от величины частиц угольного порошка и условий их термической обработки.
В капсюле модели МК-16 (см. рис. 1.6б) основание 6 представляет собой фигурное кольцо с двумя бортиками по окружности. На верхнем бортике (с большим диаметром) закреплена мембрана 4, выполненная из фольги, на которой установлен латунный электрод 3 в форме колпачка. Мембрана 4 сверху защищена влагозащитной пленкой 9. Внутри нижнего бортика с меньшим диаметром размещен корпус 14 с окном в центре. Полый латунный электрод 1 укреплён внутри корпуса 14, его верхняя часть имеет сферическую форму, а нижняя — трубчатую. Латунный колпачковый контакт 11 соединён с внешней стороны к латунному электроду 1.
Пространство между электродами заполняется угольным порошком. Нижняя часть латунного корпуса 5 и кромка колпачкового контакта 11 изолированы друг от друга и помещены в специально вырезанное место корпуса 14. Импортные микрофонные капсюли отличаются от российских в основном размерами, поэтому при их установке в отечественные микротелефоны необходимо использовать специальные кольца и шайбы.
Микрофонный капсюль МК-16, используемый в телефонных аппаратах, работающих по системе центральной батареи (ЦБ), имеет сопротивление 180 Ом.
Что это такое?
Электретные микрофоны являются одним из подвидов конденсаторных устройств. Внешне они напоминают небольшой конденсатор и соответствуют современным требованиям к мембранным устройствам. Обычно их изготавливают из поляризованной пленки, на которую наносится очень тонкий металлический слой. Это покрытие представляет собой одну из обкладок конденсатора, а вторая обкладка выглядит как жесткая плоская пластина. При воздействии звукового давления на колеблющуюся диафрагму происходит изменение параметров ёмкости самого конденсатора.
Структура электронного слоя предполагает наличие статичного покрытия, выполненного из высококачественных материалов с хорошими акустическими и механическими характеристиками.
Как и у любых устройств, у электретных микрофонов есть свои преимущества и недостатки.
Среди достоинств этих устройств можно выделить следующие аспекты:
- они обладают небольшими затратами на производство, что делает их одними из самых бюджетных на современном рынке;
- подходят для организации конференций и могут устанавливаться в бытовых микрофонах, персональных компьютерах, видеокамерах, а также в системах домофонов, осуществляющих прослушивание, и мобильных телефонах;
- более новые модели нашли применение в прототипах для измерения качества звука и качестве оборудования для вокала;
- эти устройства доступны как с разъемами типа XLR, так и с 3,5 мм разъемом и проводными клеммами.
Как и многие другие конденсаторные устройства, электретные микрофоны обладают повышенной чувствительностью и длительной стабильностью работы. Такое оборудование отличается значительной устойчивостью к механическим повреждениям, ударам и влаге.
Тем не менее, они также имеют свои отрицательные стороны. К минусам относятся следующие аспекты:
- не подходят для серьезных коммерческих проектов, так как большинство звукорежиссеров считают такие варианты менее качественными;
- подобно другим моделям конденсаторных микрофонов, для работы электретных микрофонов требуется наличие дополнительного источника питания – однако в данном случае достаточно всего 1 В.
Электретные микрофоны часто становятся важной частью комплексной системы визуального и звукового мониторинга.
Благодаря небольшим габаритам и высокой защитой от влаги, их возможно установить в самых разных местах. В сочетании с миниатюрными камерами они идеально подходят для наблюдения за сложными и труднодоступными объектами.
Устройство и характеристики
Электретные конденсаторные устройства в последние годы активно устанавливаются в бытовые микрофоны. Они обладают широким диапазоном воспроизводимых частот в пределах 3 до 20000 Гц. Микрофоны этого типа вырабатывают электрический сигнал, параметры которого в два раза выше, чем у традиционного угольного микрофона.
Современная радиопромышленность предлагает пользователям электретные микрофоны разных видов.
МКЭ-82 и МКЭ-01 – габаритно они идентичны угольным микрофонам.
МК-59 и их аналоги можно устанавливать в обычные телефонные аппараты без необходимости их модификации. Электретные микрофоны стоят значительно дешевле, чем стандартные конденсаторные, поэтому ценятся радиолюбителями. Российские производители также запустили в производство разнообразные электретные микрофоны, среди которых наиболее популярна модель МКЭ-2. Этот микрофон представляет собой одностороннее устройство, предназначенное для использования в магнитофонах первого класса.
Некоторые модели пригодны для интеграции в любую радиоэлектронную технику — такие как МКЭ-3, МКЭ-332 и МКЭ-333.
Эти устройства часто изготовлены в пластиковом корпусе. Для крепления на лицевой панели предусмотрен специальный фланец, такие устройства не сопротивляются сильным ударам и механическим воздействиям.
Пользователи часто задаются вопросом, какой микрофон выбрать: электретный или традиционный конденсаторный. Оптимальный выбор зависит от конкретной ситуации, учитывая условия эксплуатации оборудования и финансовые возможности покупателя. Электретный микрофон более доступен ценой, однако по качеству второй вариант значительно выигрывает.
Что касается принципа работы, то в обоих микрофонах он аналогичен: внутри заряженного конденсатора, при минимальных колебаниях одной или нескольких обкладок, создается электрическое напряжение. Главное отличие заключается в том, что в стандартном конденсаторном микрофоне зарядка поддерживается через постоянное поляризующее напряжение, подаваемое на устройство.
В электретном устройства есть специальное вещество, являющееся аналогом постоянного магнита. Оно создает поле без внешнего питания – таким образом, напряжение, подаваемое на электретный микрофон, предназначено не для зарядки конденсатора, а для подачи питания на усилитель на едином транзисторе.
Чаще всего электретные модели представляют собой компактные, доступные аппараты со средними электрозвуковыми характеристиками.
В то время как классические конденсаторные микрофоны относятся к категории дорогого профессионального оборудования, обладающего высокотехнологичными параметрами и фильтрами низких частот. Они часто применяются для акустических измерений. Чувствительность конденсаторного оборудования значительно ниже, чем у электретного, поэтому им обязательно требуется дополнительный звукоусилитель с сложным механизмом подачи напряжения.
Если вы планируете использовать микрофон в профессиональной производственной среде, например, для записи вокала или звучания музыкальных инструментов, лучше выбрать классические конденсаторные изделия. В то же время для любительского использования среди друзей и близких будет вполне достаточно электретных установок вместо динамических – они идеально подходят в качестве микрофонов для конференций и для подключения к компьютерам, также могут быть со встроенным устанавливаемым креплением или типа «галстук».
Угольные микрофоны
Первым типом микрофона, появившимся после жидкостных аналогов, стал угольный, который основан на схожем принципе. Первый прототип был продемонстрирован Э. Берлинером 4 марта 1877 года — это произошло через год после демонстрации Alexander Graham Bell, однако большую популярность завоевал вариант конструкции Д. Юза, который был представлен в 1878 году.
Черный угольный стержень размещен между двумя угольными лапками, которые имеют углубления и жестко соединены с мембраной. Через лапки и стержень проходит электрический ток. Когда мембрана колеблется под действием звука, она передает вибрации лапкам, в результате чего стержень начинает немного колебаться в углублениях, меняя площадь своего контакта с их поверхностями. Эти изменения площади и приводят к изменениям сопротивления. То есть принцип работы остается прежним, только вместо жидкости используется твердая структура.
Дальнейшим этапом развития микрофона стали работы Эдисона, который предложил заменить стержень на универсальный порошок, и Уайта, сделавшего наиболее эффективно работающую конструкцию для своего времени.
Принцип улучшенного микрофона также основан на изменении площади контакта, но теперь под воздействием мембраны сжимается и расширяется контейнер с угольным порошком. При сжатии — возникает больше точек соприкосновения угольных элементов друг с другом, прекращая сжатие, контакт уменьшается.
Хотя такой микрофон не может похвастаться высоким качеством звука или долговечностью, они до сих пор выпускаются и продаются в виде капсул для телефонных аппаратов и других переговорных устройств. Это объясняется высоким уровнем сигнала на выходе (без необходимости в усилителе) и устойчивостью к электромагнитным помехам.
Вот так выглядит современный капсюль от Октавы.
Динамические микрофоны
Динамический микрофон – один из самых популярных типов, который можно рассматривать как динамик, работающий в обратном направлении: обмотка, прикрепленная к мембране, движется под действием звука в поле постоянных магнитов, внутри чего создается индукционный ток.
Преимущества динамического микрофона включают меньшую чувствительность (они не улавливают ненужные звуки, посторонние шумы, нежелательные отражения и т.д.), механическую прочность и простоту конструкции, что положительно отражается на цене. Кроме того, они обладают превосходной перегрузочной способностью — можно записывать даже очень громкие звуки, и им не требуется дополнительное фантомное питание.
Среди недостатков: меньшая чувствительность (возникают трудности с записью тихих и деликатных звукозаписей), более узкий диапазон частот, а также меньшая точность и детальность звука, что негативно сказывается на передаче тембров.
Эти микрофоны чаще всего используют для записи громких звуков на близкой дистанции; их часто применяют на концертах, когда вокалист практически кричит в микрофон, а также в караоке-системах и в домашних звукозаписях — они не фиксируют характеристики помещения, а передают исключительно голос, исключая посторонние шумы, так что даже звук телевизора из соседней комнаты не мешает записи.
Omnia est tortor ligula (от лат. всё есть микрофон)
Как мы видели выше, люди на протяжении веков находили творческие и нестандартные решения для регистрации звуковых колебаний. Если система классификации всех известных способов выдадут следующие категории:
- непосредственная регистрация (такие как выцарапывание на восковом барабане и аналогичные методы — не рассматриваются, так как попадают в рамки устаревших технологий),
- генерация электрического тока,
- модуляция электрического тока,
- изучение изображения и его анализа (или осуществление без анализа, если используется фотоэлемент с оптикой, наведённый на ту же точку, куда и лазер).
В одном видео автор провёл увлекательный эксперимент, в ходе которого он протестировал множество различных лампочек и обнаружил одну, советского типа микролампу накаливания, которая способна регистрировать звуковые колебания — то есть, функционировать как микрофон!
Как заметил один из зрителей в комментариях после просмотра, он понял, по какой причине на занятиях по информационной безопасности им говорили, что на режимных предприятиях следует применять только лампы дневного света.
На данный момент причина этого феномена остаётся загадкой (читатели данной статьи могут выдвинуть свои теории — будет интересно их услышать), однако существует версия, согласно которой подобный эффект возникает из-за наличия в контуре собственного анодного заряда, обусловленного разницей потенциалов между металлами: электроды (Cu), нить накаливания (Cr+Wa), цоколь (Zn), контакт (Pb). Под действием механических колебаний система начинает работать как усилитель, модулирующий электрический ток.
Но это ещё не всё; в другом видео тот же автор протестировал ряд радиоэлементов, которые также продемонстрировали микрофонные свойства (включая трансформатор!).
Таким образом, как было показано в предыдущих испытаниях, изменение физических параметров, происходящее под воздействием внешних факторов, может привести к модуляции электрического тока, что можно зафиксировать (копилка фобий: +1).
Подводя итог, можно сказать, что существует множество способов фиксации звука. Но в настоящее время, на наш взгляд, одним из самых перспективных методов регистрации звуковых колебаний является анализ изображений. Например, высокого качества оптика, которая может увеличивать изображение, наведенная на оконное стекло, позволяет наблюдать мельчайшие пылинки, царапины и прочее.
Как показал эксперимент с лазером, звуковые колебания, формирующиеся в воздушной среде внутри помещения, передаются стеклу, вызывая его вибрации, что означает, что изображение, проецируемое оптикой, зафиксирует эти колебания. С помощью современного компьютера анализа изображения или даже без него (теоретически, возможно также использовать датчик компьютерной мыши с самописным ПО) можно зарегистрировать эти колебания и преобразовать их в звук.
Кроме того, можно попробовать аналогичный эксперимент с камерой (подойдет практически любая: веб-камера, смартфон и т.д.) с снятым инфракрасным фильтром и подходящей оптикой, пропускающей инфракрасное излучение (в теории можно использовать лазер CO2; хотя это не факт, что такая поддержка в этом случае окажется долгожданной — скорее всего потребуется специальная оптика, изготовленная под заказ) и сделать это с помощью инфракрасного лазера.
Заинтересовавшиеся могут провести свои собственные эксперименты с жидким микрофоном, что, безусловно, станет интересным занятием, и будет полезно всем — было бы интересно узнать о результате таких опытов. По крайней мере, простота жидкого микрофона и успешное его использование основоположниками даёт надежду на положительный исход собственных экспериментов. Или, возможно, вы придумаете свой способ регистрации звука?
Электретные микрофоны
На бытовых магнитофонах часто применялись электретные конденсаторные микрофоны. Эти устройства имеют самый широкий частотный диапазон: от 30 до 20000 Гц. Микрофоны данного типа вырабатывают электрический сигнал, который в два раза превышает по величине сигнал стандартных угольных микрофонов.
Промышленность производила электретные микрофоны моделей МКЭ-82 и МКЭ-01, размеры которых аналогичны угольным моделям МК-59 и подобным. Они могут устанавливаться в обычные телефонные трубки без каких-либо модификаций. Такой тип микрофонов значительно дешевле традиционных конденсаторных, поэтому более доступен для радиолюбителей.
В России производилась обширная линейка электретных микрофонов, среди которых выделяется модель МКЭ-2 односторонней направленности для применения в магнитофонах первого класса, а также для встроенного применения в радиоэлектронному оборудованию — МКЭ-3, МКЭ-332 и МКЭ-333. Наибольший интерес для радиолюбителей представляет конденсаторный электретный микрофон МКЭ-3, который имеет микроминиатюрные размеры. Ранее его использовали как встроенное устройство в отечественных магнитофонах, магниторадиолах и магнитолах, таких как, Сигма-ВЭФ-260, Томь-303, Романтик-306 и другие.
Микрофон МКЭ-3 изготовлен в пластиковом корпусе с фланцем, предназначенным для крепления на лицевой панели радиоустройства изнутри. У данного микрофона отсутствует направленность, его диаграмма представляет собой круг. Устройство не должно подвергаться ударам и высокой степени тряски. В таблице ниже приведены основные технические параметры нескольких моделей миниатюрных конденсаторных электретных микрофонов.
На следующем рисунке представлена схема подключения распространенного в радиолюбительских конструкциях электретного микрофона типа МКЭ-3:
Принципиальная схема подключения микрофона типа МКЭ-3 на входе транзисторного УЗЧ.
Угольные микрофоны
Несмотря на то, что угольные микрофоны постепенно вытесняются другими типами, благодаря своей простой конструкции и достаточно высокой чувствительности они все еще находят применение в различных устройствах связи. Наибольшее распространение получили угольные микрофоны, известные как телефонные капсюли, такие как МК-10, МК-16, МК-59 и другие. Простая схема подключения угольного микрофона представлена на рисунке ниже:
Принципиальная схема подключения угольного микрофона с использованием трансформатора.
В этой схеме трансформатор должен быть повышающим; для угольного микрофона с сопротивлением R = 300–400 Ом его можно смонтировать на Ш-образном железном сердечнике с сечением 1–1,5 см². Первичная обмотка (I) содержит 200 витков провода ПЭВ-1 диаметром 0,2 мм, а вторичная обмотка (II) — 400 витков ПЭВ-1 диаметром 0,08–0,1 мм. Угольные микрофоны делятся на три группы в зависимости от их динамического сопротивления:
- Низкоомные (приблизительно 50 Ом) с током питания до 80 мА;
- Среднеомные (70–150 Ом) с током питания не более 50 мА;
- Высокоомные (150–300 Ом) с током питания не более 25 мА.
Исходя из этого, в цепи угольного микрофона необходимо устанавливать ток, соответствующий типу устройства. Иначе, при слишком большом токе, угольный порошок может начать спекаться, что приведёт к повреждению микрофона и появлению нелинейных искажений. Если ток будет слишком малым, это значительно снизит чувствительность устройства. Угольные капсюли способны функционировать даже при пониженном токе источника питания, в частности, в усилителях на лампах и транзисторах. Падение чувствительности при сниженном питании микрофона можно компенсировать простым увеличением коэффициента усиления звукового усилителя. В результате этого улучшается частотная характеристика, значительно снижаются шумы, повышается стабильность и надежность функционирования. Вариант подключения угольного микрофона в усилительный каскад с транзистором показан на рисунке ниже:
Принципиальная схема подключения угольного микрофона на входе транзисторного У3Ч.
Вариант расположения угольного микрофона в сочетании с транзистором на входе лампового усилителя звуковой частоты, как показано на рисунке ниже, позволяет добиться значительного усиления напряжения.
Принципиальная схема подключения угольного микрофона на входе гибридного усилителя звуковой частоты, собранного на транзисторе и электронной лампе.
Автор: Пестриков В.М. Энциклопедия радиолюбителя.
