Классификация микрофонов.

Акустические характеристики микрофонов

Микрофоны – это преобразователи акустических колебаний в электрические. К микрофонам предъявляются высокие требования, особенно при передаче программ связанных с высокой разборчивостью, точностью, узнаваемостью информации.

Размеры микрофона должны быть маленькие, а форма обтекаемой, чтобы не было нарушения однородности акустического поля. Размеры выбираются в соответствии с параметрами микрофонов.

Классификация микрофонов.

1. По способу преобразования колебаний:

- Электродинамические (катушечные, ленточные);

- Электростатические (конденсаторные, электретные);

- Электромагнитные;

- Угольные, пьезомикрофоны.

2. По зависимости чувствительности от угла прихода звуковой волны:

- Направленные;

- Ненаправленные.

3. По способу взаимодействия с окружающей средой (акустические характеристики):

- Приемники давления;

- Приемники градиента давления различных порядков (обычно 1,2);

- Комбинированные приемники;

- Групповые.

4. По диапазону воспринимаемых частот

- узкополосные (речевые);

- широкополосные (музыкальные).

Параметры микрофонов (технические показатели качества)

1. Чувствительность - отношение напряжения в вольтах на выходе микрофона к звуковому давлению в Па, действующему на его вход

, (12.1)

Чувствительность различается для нагруженного и ненагруженного на номинальное активное сопротивление микрофона R_ном=250¸1000 Ом (в справочниках, дается для E_нагр). При измерении чувствительности, указывается при каких параметрах она измеряется. Для нахождения Е в какую-либо точку поля помещают калиброванный очень малых размеров микрофон, им измеряется давление, далее в ту же точку помещают обычный микрофон и измеряют U_вых. Из отношения найденных значений получают Е. Обычно оговаривается частота, на которой проводятся измерения (чаще всего 1000 Гц). Измерения проводят в свободном поле.

Чувствительность зависит от многих факторов, поэтому существуют следующие величины:

а) Осевая чувствительность (измерена в направлении акустической оси) E_ос.

б) Чувствительность по диффузному полю

, (12.2)

в) Уровень чувствительности – чувствительность, выраженная в дБ относительно величины 1 В/Па

, (12.3)

где Е₀=1 В/Па.

г) Стандартный уровень осевой чувствительности – отношение мощности, отдаваемой в номинальную нагрузку R_ном (при падающем звуковом давлении 1 Па) к мощности 1 мВт.

, (12.4)

где U – напряжение на нагрузке, численно равное чувствительности микрофона при P = 1 Па.

д) Внутреннее сопротивление микрофона Z. Обычно активное и практически не зависит от частоты. Если есть зависимость от f, то в справочниках обычно приводят или среднее значение, или на f = 1000 Гц.

е) Частотная характеристика чувствительности – зависимость L_E или L_Еос от частоты - неравномерность частотной характеристики

= L_max - L_min., (12.5)

где L_max , L_min – max и min уровни вторичного сигнала при постоянных первичных.

Субъективно за счет неравномерности частотной характеристики происходит следующее. Если подавлены низкочастотные составляющие, то микрофон «звенит», подавлены высокочастотные составляющие – звук глухой. При подчеркивании низкочастотных составляющих микрофон «бубнит», при подчеркивании высокочастотных составляющих – «свистит». Все эти частотные искажения оцениваются по величине неравномерности частотной характеристики.

Номинальный диапазон определяют по допустимым спадам чувствительности в области ВЧ и НЧ.

Отклонение от горизонтальной линии в номинальном диапазоне определяют частотные искажения микрофона. При определении неравномерности частотной характеристики обычно выбирают пики которые меньше 1/8 октавы (критические полоски слуха). Для вещательных микрофонов неравномерность частотной характеристики определяется в двух диапазонах, в номинальном и основном (основной диапазон: f=200¸5000 Гц). Вблизи границ диапазона неравномерность не должна превышать допустимых значений. Обычно аппаратура выпускается с заданной неравномерностью, если нет, то дается диапазон, в котором неравномерность не превышает заданную.

Рис. 12.1. Частотная характеристика чувствительности.

2. Характеристика направленности микрофона.

Это зависимость чувствительности микрофона в свободном поле от угла между направлением на источник звука и осью микрофона.

- нормированная характеристика направленности

, (12.6)

Обычно микрофоны обладают осевой симметрией.

Направленный микрофон обладает определенной чувствительностью с обратной стороны, поэтому существует понятие чувствительность «фронт - тыл».

По характеристикам направленности микрофоны делятся:

§ ненаправленные;

§ односторонненаправленные;

§ остронаправленные;

§ остроодносторонненаправленные;

§ двунаправленные.

3. Коэффициент направленности.

Из-за направленности микрофона чувствительность, определенная при приходе звуковой волны к микрофону под всевозможными углами, меньше осевой чувствительности. Для учета величины этого уменьшения введен коэффициент направленности - , который можно определить по специальному шаблону или по формулам (12.8) и (12.9)

, (12.7)

где – квадрат осевой чувствительности в свободном поле; – средний из квадратов чувствительности по всем радиальным направлениям.

Если система осесимметричная, то

, (12.8)

Если система не симметричная, то

, (12.9)

4. Индекс направленности – коэффициент направленности в дб

, (12.10)

- показывает шумостойкость или величину подавляемого шума по отношению к сигналу;

- показывает разницу в уровнях мощности развиваемых микрофоном при действии двух источников звука: одного на оси (например, голос лектора) и другого – источника рассеянных звуковых волн (шума), если они оба создают в точке микрофона одинаковое давление.

Для ненаправленного микрофона этот параметр будет равен нулю, поэтому ненаправленный микрофон не подавляет шум по отношению к сигналу.

Показывает величину подавления шума по отношению к сигналу, проходящему по оси микрофона.

Для ненаправленного микрофона индекс направленности равен нулю. Такой микрофон не подавляет шум по отношению к сигналу.

5. Уровень собственного шума микрофона.

, даже в отсутствие сигнала (тепловой шум, флуктуации частиц, электрические шумы).

Уровень собственного шума микрофона, приведенный к акустическому входу, определяется как уровень эквивалентного звукового давления P_ш при воздействии которого на микрофон, получалось бы выходное напряжение U_ш, равное выходному напряжению на выходе микрофона в отсутствии давления.

Даже не включенный микрофон имеет этот параметр (тепловой, флуктуационный шумы и др.).

Р_ш - звуковое давления, которое дало бы напряжение U_ш в отсутствии звуковых колебаний

, (12.11)

, Па (12.12)

6. Перепад чувствительности фронт – тыл

, (12.13)

где – стандартный уровень чувствительности микрофона, определенный под углом 180° к оси, Е_ос – осевая чувствительность.

7. Индекс фронт – тыл (он не включен в ГОСТ, но интересен).

q_фр-т – это разность между уровнями электрической мощности, развиваемой микрофоном на нагрузке при раздельном воздействии на него диффузного поля с фронта и тыла, при условии равенства р_ф=р_тыл индекс показывает величину дискриминации шума по отношению к сигналу (публика - оркестр).

Показывает, насколько уровень, развиваемый микрофоном от сигнала (оркестр) выше уровня, развиваемого микрофоном от действия помех (шум публики) при условии, что уровни сигнала и помех одинаковы.

8. Чувствительность звеньев микрофона.

Чувствительность микрофона – произведение чувствительности отдельных звеньев, входящих в него.

, (12.14)

где F/p - акустическая чувствительность – отношение силы, действующей на поверхность преобразователя к давлению падающей волны; υ/F=1/Z_м -механическая чувствительность; ε/υ=К_св - коэффициент электромеханической связи; электрическая нагрузочная характеристика равна

, (12.15)

где R_н – сопротивление нагрузки; z_i – внутреннее сопротивление микрофона; Z_м – механическое сопротивление подвижной системы микрофона.

Обычно подбирают чувствительность звеньев так, чтобы общая чувствительность микрофона меньше зависела от частоты. Используют метод взаимной коррекции частотных характеристик отдельных звеньев микрофона.