Микрофоны

Микрофоном называют устройство, которое преобразует механические колебания воздушной среды в электрические колебания.

Микрофоны классифицируют по следующим признакам:

• по особенностям приёма звуковых колебаний,

• по принципу преобразования акустических колебаний в электрические,

• по классам качества.

Элементом конструкции микрофона, воспринимающим звуковые колебания, является мембрана. В зависимости от того, как взаимодействует мембрана со звуковым полем, существенно зависят характеристики микрофона. Возможно несколько вариантов взаимодействия.

Если для воздействия звуковых волн доступна только одна сторона поверхности мембраны, то такой микрофон называют приёмником давления.

В том случае, когда длина волны больше геометрических размеров микрофона, волны огибают корпус микрофона и звуковое давление p не зависит от ориентации мембраны в звуковом поле. Следовательно, сила (S – площадь поверхности мембраны), действующая на мембрану, не зависит от её положения в пространстве. Микрофон будет принимать звуковые сигналы со всех направлений одинаково, т.е. будет ненаправленным. Если размеры корпуса микрофона больше, чем длина волны, то звуковое давление у поверхности мембраны при нормальном падении волн удваивается по сравнению с давлением в свободном поле (звуковое давление падающей и отраженной волн складываются). При падении волн под углом к нормали звуковое давление будет уменьшаться из-за изменения коэффициента отражения и затенения мембраны корпусом, т.е. условия приёма колебаний с разных направлений неодинаковы. Микрофон приобретает направленность.

Введем понятие акустической чувствительности микрофона Е_а, как отношение силы, действующей на мембрану, к величине звукового давления. На длинных волнах акустическая чувствительность , т.е. постоянная влияния, не зависящая от направления прихода волн. Изобразим график зависимости акустической чувствительности микрофона от угла между нормалью к поверхности мембраны и направлением прихода звуковых волн. В дальнейшем этот график будем называть диаграммой направленности микрофона. Если на графике откладывать не абсолютную чувствительность , а значения , то получим нормированную диаграмму направленности микрофона.

Нормированная диаграмма направленности микрофона – приёмника давления.

На рис. 1. показаны нормированные диаграммы направленности приёмника давления для разных значений отношения , где d – размер корпуса микрофона.

Если мембрана доступна для звуковых волн с обеих сторон, то её колебания происходят под действием разности давлений фронтальной и тыловой волн. Такие микрофоны называют приёмниками градиента давления.

Акустическая чувствительность приёмника градиента давления:

Разность давлений возникает за счет разности хода звуковых волн до внешней (фронтальной) и внутренней (тыльной) поверхности мембраны. Разность хода волн, в свою очередь, создаёт разность фаз и разность амплитуд. Разность фаз (см. рис. 2):

Рисунок 2

Разность амплитуд звукового давления, отнесенная к амплитуде падающей ( фронтальной) волны:

,

где р₁ – звуковое давление на расстоянии 1 м от источника. Таким образом, разность амплитуд более существенна на малых расстояниях.

Определим разность давлений:

,

где , .

Акустическая чувствительность:

(1)

Исследуем выражение (1). Зависимость акустической чувствительности Е_а от угла падения θ представлена на рис. 3. Как следует из рисунка, микрофон – приёмник градиента давления обладает направленными свойствами. На низких частотах микрофон обладает максимальной чувствительностью в направлении оси. Форма диаграммы направленности близка к окружности, проходящей через начало координат. В области верхних частот максимум чувствительности смещается в стороны от оси микрофона.

Частотные характеристики осевой акустической чувствительности приёмника градиента давления для разных расстояний от источника звука приведена на рисунке 4. Для малых расстояний частотная характеристика более или менее равномерна в области низких частот и имеет максимум ~ 10 дБ в области верхних частот. На больших расстояниях от источника неравномерность частотной характеристики возрастает (~ 30дБ).

Диаграммы направленности приёмника градиента давления, рассчитанные для размера мембраны а = 0.017 м и расстояния r = 0.1 м. Кривая 1 – для частоты 100 Гц, 2 – для частоты 10000 Гц и 3 – для 20000 Гц.

Конструкция такого приёмника схематически показана на рисунке 4. Мембрана установлена в плоскости одного из торцов цилиндра, длина которого равна d. Колебания мембраны происходят под действием силы, создаваемой разностью давлений фронтальной и тыловой волн.

Рисунок 4.

Частотная характеристика осевой чувствительности микрофона – приёмника градиента давления, вычисленная для а = 0.017 м и расстояний r = 0.02 м (кривая 1) и r = 10 м (кривая 2).

Разность хода фронтальной и тыловой волн . Если подставить это значение (1) и произвести упрощения, то для больших расстояний от источника получим:

,

т.е. диаграмма направленности асимметричного приёмника градиента давления – кардиоида. В общем случае диаграмма направленности асимметричного приёмника градиента давления зависит от расстояния и частоты звуковых колебаний (см. рис. 6).

Для получения приёмников с управляемой формой диаграммы направленности часто комбинируют приёмники давления и приёмники градиента давления. Оба микрофона устанавливают один над другим так, чтобы их оси имели одинаковое направление, а сигналы микрофонов суммируют. Тогда акустическая чувствительность комбинированного микрофона Е_а = Е_ад + Е_агд = Е_ад + Е_агдо, где Е_ад – акустическая чувствительность приёмника давления, Е_агдо – осевая акустическая чувствительность приёмника градиента давления, θ – угол между осью системы микрофонов и направлением прихода волн, описывает диаграмму направленности приёмника градиента давления. Нормированная характеристика направленности комбинированного микрофона запишется следующим образом:

Диаграммы направленности микрофона – асимметричного приёмника градиента давления, рассчитанные для d = 0.03 м, r = 0.1 м и следующих частот: кривая 1 для 100 Гц, кривая 2 – 5000 Гц и кривая 3 – 10000 Гц.

• .

Введем параметр , тогда и:

(2)

Задавая различные значения параметра q, будем получать различные диаграммы направленности комбинированного микрофона.

Для описания свойств диаграммы направленности используют ряд её характеристик, таких как коэффициент направленности, индекс направленности, ширина диаграммы направленности, перепад чувствительности «фронт-тыл».

Коэффициентом направленности называют отношение квадрата осевой чувствительности микрофона, измеренной в свободном поле, к среднему по всем направлениям квадрату чувствительности, измеренному при тех же условиях. Для диаграмм направленности с осевой симметрией коэффициент направленности вычисляют по формуле:

(3)

Индекс направленности Q – коэффициент направленности, выраженный в децибелах:

(4)

Ширина диаграммы направленности определяется углом, в пределах которого чувствительность микрофона уменьшается не более чем в раз относительно осевой чувствительности.

Перепад чувствительности «фронт-тыл» - отношение чувствительности микрофона при θ = 0⁰ к чувствительности при θ = 180⁰.

В таблице 1 прведены значения этих характеристик направленности комбинированного микрофона для ряда значений параметра q.

Таблица 1. Характеристики комбинированных приёмников при разных значениях параметра q.

q	Форма диаграммы направленности	Ω	Q		Ф/т, дБ
0	Ненаправленная	1	0	3600	0
0.5	Кардиоида	3	4.77	1320
0.634	Суперкардиоида	3.73	5.72	1150	11.43
0.75	Гиперкардиоида	4	6.02	1050	6.02
1	Косинусоида	3	4.77	900	0

Управление диаграммой направленности может быть осуществлено, например, при включении микрофонов по схеме, изображенной на рис. 7.

Рисунок 7.

При верхнем положении движков потенциометров работает только приёмник давления (q = 0), микрофон – ненаправленный. При нижнем положении движков работает только приёмник градиента давления (q = 1), диаграмма направленности – косинусоидная. В промежуточных положениях движков получаются диаграммы направленности других видов (см. таблицу 6).

В некоторых случаях приёмник должен иметь более острую диаграмму направленности, чем у приёмников, рассмотренных выше. Такая задача может быть решена путем объединения нескольких одинаковых приёмников в группу.

Микрофоны располагают вдоль прямой линии на расстоянии d друг от друга, Выходы микрофонов соединяют последовательно (см. рис. 8).

Рисунок 8

Найдем характеристику направленности микрофона .Будем считать, что плоская звуковая волна падает под углом θ к оси системы. Тогда между напряжениями соседних микрофонов будет иметь место сдвиг по фазе

где , а напряжение i – го микрофона . Суммируя напряжения всех микрофонов, получим:

.

Амплитуда этого напряжения:

.

При это выражение даёт неопределенность вида 0/0. Раскрывая неопределенность по правилу Лопиталя, получим . Тогда характеристика направленности:

(5)

где - характеристика направленности одного микрофона. Из выражения (5) следует, что диаграмма направленности может иметь несколько лепестков. Направления , для которых характеристика направленности принимает нулевые значения, можно определить из условия:

где - целое число.

Или иначе:

.

Откуда число нулей диаграммы направленности , т.е. чем больше размер линейки микрофонов, тем больше число лепестков диаграммы направленности и каждый лепесток становится уже. На рис. 9 приведены диаграммы направленности линейки из ненаправленных микрофонов для ряда частот.

Диаграммы направленности линейки из 5 ненаправленных микрофонов. . Кривая 1 для частоты 100 Гц, кривая 2 – для частоты 500 Гц, кривая 3 – для 1000 Гц.