Конденсаторный микрофон

Широко применяемый в настоящее время конденсаторный микрофон (рис.14.1) представляет собой плоский конденсатор, состоящий из двух обкладок. Одна из них - 1 представляет собой диафрагму, обращенную к источнику звука. Она сделана в виде тонкой круглой металлизированной изнутри пластины диаметром D. Вторая обкладка конденсатора – массивное металлическое основание 3, называемое базой. Между обкладками 1 и 3 устанавливается малое расстояние d, благодаря чему образуется плоский конденсатор. Он соединяется через сопротивление нагрузки R_н с источником постоянного напряжения U.

Чувствительность .

Рис.14.1. Схема конденсаторного микрофона:

1 - тонкая круглая диафрагма; 2 - кольцо диэлектрика; 3 - металлическое основание

Конструктивно входная часть микрофона выполняется в виде отдельного блока – звукоприемного капсюля D = 6 – 20 мм из полистирола, покрытая с внутренней стороны золотом или тонкой фольгой, упругого неокисляющегося металлического сплава. Толщина фольги – 2 – 30 мкм. Расстояние между обкладками стремятся сделать как можно меньше, но оно ограничивается возможностью пробоя. Если d порядка 20–40мкм, емкость конденсатора 30–40 пФ.

Под воздействием звукового давления диафрагма колеблется, расстояние между пластинами (обкладками) изменяется, соответственно изменяется емкость конденсатора: увеличивается при сближении пластин и уменьшается при их удалении. Т.к. заряд конденсатора пропорционален емкости с и приложенному напряжению U, то при повышении емкости конденсатор будет дополнительно заряжаться и в электрической цепи образуется зарядный ток. При понижении емкости образуется ток разряда.

В результате на сопротивлении нагрузки R_н возникает сигнал, который отображает колебательный процесс диафрагмы. Это приемник звукового давления.

Чтобы увеличить чувствительность микрофона необходимо уменьшить резонансную частоту мембраны. Но чтобы не создавать при этом большую неравномерность частотной характеристики, необходимо ввести затухание в колебательную систему. Для этого в неподвижном электроде делают канавки с острыми углами. Канал с пленкой выполняют для выравнивания атмосферного давления, чтобы мембрана не выпучивалась и не вдавливалась.

Рис.14.2. Неподвижный электрод с канавками

1 - без канавок; 2 - с канавками.

При колебаниях мембраны воздух протискивается вдоль радиусов электродов, образуются завихрения, вносящие потери в механическую колебательную систему. Эти потери подбирают так, чтоб была равномерной.

Обычно частоту резонанса берут вдвое ниже верхней границы передаваемого частотного диапазона. Неравномерность ЧХ мала, поэтому конденсаторные микрофоны используют как измерительные, обычно Δf 20 – 40 000 Гц. Размер капсюля 6 – 15 мм, он практически не направлен, ДН отклоняется от окружности на самых высоких частотах передаваемого диапазона.

Недостаток: уровень собственных шумов выше, чем у динамических, а также необходимость размещения первых каскадов микрофонного усилителя возле самого капсюля.

Конденсаторные микрофоны – приемники градиента давления

Рис.14.3. Приемник градиента давления

1 – диафрагма; 2 – базовая пластина;

3 – сквозные отверстия; 4 – канавки (для демпфирования или создания резонансных явлений с целью выравнивания частотных характеристик).

Диафрагма такая же, как у ПД, но в базовой пластине 2 делают ряд сквозных отверстий 3 для доступа к внутренней стороне диафрагмы волн с фазовым сдвигом. Делаются еще канавки (несквозные отверстия) для выравнивания ЧХ.

Комбинированные приемники (конденсаторные микрофоны)

Обычно это 2 приемника градиента давления, объединенных в одном узле.

Между базой и каждой из пластин создают разность потенциалов с помощью постоянного напряжения внешнего источника. На каждую мембрану действует давление с внешней стороны, а через каналы с внутренней.

Можно получить 3 вида ХН: круговую, косинусоидальную, кардиоидную.

Рис.14.4. Фрагмент комбинированного приемника

1 – массивный электрод; 2 – мембраны; 3 – канавки для демпфирования; 4 – каналы для передачи звукового давления и внутренней стороны мембраны; 5 – изоляционные прокладки

1. Поляризующее напряжение подается между неподвижным электродом и мембраной. Вторая мембрана только передает колебания к внутренней стороне рабочей мембраны. Микрофон имеет кардиоидную характеристику направленности.

2. Поляризующее напряжение подается еще и между второй мембраной и неподвижным электродом. Получим 2 микрофона, каждый с кардиоидной ХН. Если выходы микрофона включены в фазе, то можно получить круговую ХН.

(14.1)

Если соединить их в противофазе, то можно получить косинусоидальную ХН (восьмерка)

. (14.2)

Синтез направленности осуществляется дистанционно смесителем, введенным в цепи раздельных усилителей.

Конденсаторный микрофон: частотный диапазон 50 – 15000 Гц, неравномерность ЧХ не более 6 дБ, L_Е =30–40 дБ, L_М =15–18 дБ (L_М – уровень собственного шума).

Электретные конденсаторные микрофоны (ЭКМ)

ЭКМ по устройству не отличается от обычных КМ, только мембрана выполняется из материала, обладающего электретными свойством: сохранять поляризацию в течение длительного времени. Это свойство создается предварительной термической обработкой полимерных пленок в электрическом поле с высоким градиентом напряжения. Также мембраны могут обеспечить достаточные для работы микрофонов постоянные напряжения, сохраняемые в течение многих лет. Тогда нет необходимости в дополнительном источнике постоянного напряжения и подводе питания. Главные достоинства КМ в том числе и электретных: гладкая частотная характеристика, высокая чувствительность, хорошие массогабаритные показатели (например, МК-13, масса 260 грамм, три вида направленности).

Электретные микрофоны используются в театральных, эстрадных звукотехнических комплексах. Недостаток: высокий уровень собственных шумов, но шумы в НЧ области.

Рис.14.5. Частотная характеристика конденсаторного микрофона