АКУСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МИКРОФОНОВ.

По акустическим характеристикам микрофоны делятся на приемники давления, приемники градиента давления различных порядков (преимущественно первого и иногда второго порядка), комбинированные и групповые.

Приемники давления. Характерной особенностью приемника давления является то, что его подвижная механическая система (например, диафрагма) открыта для действия звуковых волн только с одной стороны (рис. 5.2). Звуковые волны, длина которых больше размеров микрофона, огибают его. В этом случае давление у микрофона будет такое же, как и в свободном поле. Вследствие этого сила, действующая на диафрагму микрофона, F = pS, а акустическая чувствительность F/p = S, где S — поверхность подвижной системы микрофона. В этом случае характеристика направленности будет сферической, т. е. микрофон будет ненаправленным. Так, для получения ненаправленного микрофона в диапазоне частот до 10 000 Гц (λ = 3,4 см) размеры микрофона должны быть менее 1,7 см.

Если размеры микрофона велики по сравнению с длиной волны, то давление, действующее на диафрагму при падении волны по его оси, будет удваиваться по отношению к давлению в свободном поле из-за отражения волн от поверхности микрофона. Тогда акустическая чувствительность F/p = 2S. Пределы изменения давления по отношению к свободному полю p÷2p, a акустической чувствительности (5.11)

Если звуковая волна падает на микрофон сбоку или сзади, то в общем случае звуковое давление, действующее на диафрагму, уменьшается из-за ослабления волны при огибании микрофона. Поэтому характеристика направленности будет заостряться тем сильнее, чем больше размеры микрофона по отношению к длине волны (см. рис. 5.2).

Приемник градиента давления. Его подвижная механическая система открыта с обеих сторон для действия звуковых волн, поэтому на диафрагму действует разность давлений волн падающих на фронтальную поверхность диафрагмы с тыльной стороны.

Приемники градиента давления делят на симметричные (рис. 5.3) и асимметричные. Акустическая чувствительность такого приемника определяется по формуле

где р— давление в свободном звуковом поле; р_ф— давление у фронтальной поверхности диафрагмы (оно практически равно давлению в поле, так как размеры микрофона обычно малы по сравнению с минимальной длиной звуковой волны); р_т — давление у тыльной поверхности диафрагмы; S — поверхность диафрагмы.

Разность давлений Р_р = Р_Ф— Р_т получается вследствие разности хода звуковых волн Δr, т. е., во-первых, из-за образующейся разности фаз фронтальной и тыльной волн и, во-вторых, из-за разности амплитуд обеих волн, если приемник находится близко к источнику звука.

Относительная разность амплитуд для сферических волн

На низких частотах длина волны велика по сравнению с разностью хода, поэтому для приемника, удаленного от источника звука, результирующее давление р_р, равное разности давлений фронтальной и тыльной волн, будет очень мало (поскольку оба давления близки друг к другу по фазе и амплитуде).

Рис. 5.4. Акустическая чувствительность приемника градиента давления:

1—для плоской волны (удаленного источника звука); 2 — для ближнего источника звука

Если приемник находится близко к источнику звука, то создается разность амплитуд фронтальной и тыльной волн . Эта разность не зависит от частоты. Поэтому на низких частотах для близких расстояний результирующее давление будет определяться разностью амплитуд, из-за чего чувствительность этого приемника для ближнего источника будет выше, чем для удаленного источника звука, и не будет зависеть от частоты (см. рис. 5.4, кривая 2, вычисленная для Δ r/r=0,5).

Из этой же кривой видно, что на высоких частотах, для которых Δ r/r≤2πΔr/λ, на величину чувствительности будет влиять и разность фаз, поэтому результирующее давление будет определяться суммарным действием обоих факторов и даже с преобладанием последнего (см. рис. 5.4). В результате общее изменение чувствительности от самых низких частот до самых высоких будет меньше, чем для удаленного источника звука.

Если микрофон — приемник градиента давления — путем взаимной коррекции отдельных звеньев отрегулирован так, что его частотная характеристика, снятая для удаленного источника звука, будет близка к оптимальной, то при приближении его к источнику звука микрофон будет подчеркивать низкие частоты («бубнить»). Если же микрофон отрегулирован так, что его частотная характеристика близка к оптимальной при близком расположении его к источнику звука, то при работе с удаленным источником он будет подчеркивать высокие частоты.

.

Приемник градиента давления даже при удаленном расположении микрофона от исполнителя вносит дискриминацию в прием шума.Если микрофон приближать ко рту исполнителя, то на низких частотах вследствие разности амплитуд фронтальной и тыльной волн дискриминация шума будет повышаться, так как чувствительность микрофона к шумам остается прежней, а чувствительность к сигналу, исходящему от исполнителя, увеличивается

Применяется еще приемник градиента давления второго порядка. Он представляет собой сдвоенный приемник градиента давления первого порядка. На сдвоенную диафрагму такого приемника действует разность от разности давлений, действующей на каждую из диафрагм.

Чувствительность этого приемника определяется квадратичной зависимостью от частоты по отношению к приемнику градиента давления первого порядка. Поэтому приемник градиента второго порядка вносит более значительную дискриминацию в прием шума, чем приемник градиента давления первого порядка. Характеристика направленности его имеет форму квадрата косинусоиды в полярных координатах.

Асимметричный приемник градиента давления. Диафрагма такого приемника находится под воздействием разности давлений, действующих на фронтальную (лицевую) и тыльную (заднюю) стороны диафрагмы. Сдвиг фаз между этими давлениями обусловлен, как и в симметричном приемнике градиента давления, разностью хода звуковых волн, приходящих к фронтальной и тыльной сторонам диафрагмы

Комбинированные приемники. Для получения различных форм характеристик направленности обычно комбинируют приемники давления и градиента давления. Рассмотрим простейшую комбинацию из этих приемников, наиболее часто применяемую в практике, состоящую из одного микрофона-приемника давления и одного микрофона-приемника градиента давления, располагаемых как можно ближе друг к другу (обычно один над другим) и так, чтобы их оси были параллельны.На рис. 5.6б изображены диаграммы направленности: 1—окружность для приемника давления (q=0); 2—кардиоида для комбинированного приемника с одинаковой чувствительностью приемников давления и градиента давления (q=0,5); 3 — суперкардиоида (q = 0,63); 4 — гиперкардиоида (q = 0,75); 5 — косинусоида (восьмерка) для одного» приемника градиента давления (q = 1).

Рис. 5.6. Акустические характеристики комбинированных приемников:

а) индексы:

1 — направленности, 2 — перепада чувствительности фронт/тыл, 3 — фронт/тыл, при разных соотношениях между чувствительностью приемников давления и градиента давления;

б) диаграммы направленности:

1 — работает только приемник давления; 2—одинаковая чувствительность приемника давления и градиента давления; 3— отношение чувствительностей Е_д/Е_г.д.о = 0,37/0,63, 4 — отношение Е_д /Е_г.д.о = 0,25/0,75, 5 — работает только приемник градиента давления

Групповые приемники. Одинаковые приемники звука можно объединять в группы. К ним относятся линейны группы и трубчатые приемники.

Линейная группа приемников (микрофонов) это несколько микрофонов, обычно располагаемых в ряд по прямой горизонтальной линии так, чтобы их оси были параллельны (рис. 5.7) (иногда микрофоны располагают по небольшой дуге круга). Электрические выходы этих микрофонов соединяют последовательно в специальном смесителе.

Трубчатые приемники. Из трубчатых приемников получили некоторое распространение два варианта.

Рис. 5.8. Строение трубчатого приемника,:

1— звуководные трубки; 2 — срез трубок; 3 — капсюль микрофона; 4 — предкапсюльный объем

Первый вариант, схематически представленный на рис. 5.8, имеет несколько десятков тонких трубок 1 с длинами от нескольких сантиметров до метра и более. Эти трубки собирают в пучок: длинные по середине, короткие по наружной поверхности пучка. Концы трубок: с одной стороны образуют плоский срез 2, входящий в предкапсюльный объем 4. Микрофонный капсюль 3 берут или электродинамического или электромагнитного типа (приемника давления) в зависимости от требуемого частотного диапазона. Звуковые волны, приходящие к приемнику по осевому направлению, проходят в трубки и поступают в предкапсюльный объем в одинаковой фазе, и их амплитуды складываются арифметически. Звуковые волны, приходящие под углом к оси (см. рис. 5.8), оказываются сдвинутыми по фазе, так как трубки имеют разную длину.

.

Второй вариант—трубчатый щелевой приемник (его иногда называют приемником бегущей волны) — представляет собой трубку с продольной щелью. С некоторым приближением такую трубку можно рассматривать как множество трубок разной длины. Чтобы не было стоячих волн, наружный конец трубки закрыт поглощающей тканью. Через разные участки щели звуковые волны поступают к капсюлю в разной фазе, как в случае приемника, состоящего из большого числа трубок.