Микрофоном называется электроакустический преобразователь звуковых колебаний в электрические сигналы. Еще недавно микрофоны были относительно редкими устройствами. Сегодня микрофоны - везде. У каждого в кармане есть смартфон, в котором устанавливают несколько микрофонов, иногда до четырех. Еще один микрофон - на руке, в смарт-часах. В iPhone 6 стоит три микрофона, а в iPhone 6S - даже четыре. Один прикладывают к уху при разговоре, другим пользуется при громкой связи, еще один используется для записи звука при съемке основной камерой. Один из микрофонов iPhone используется для шумоподавления. В режиме громкой связи могут использоваться сразу все четыре микрофона в зависимости от ориентации телефона.
Существуют различные типы микрофонов, но здесь мы объясним две большие семьи, которые наиболее часто используются профессионалами в этом секторе и, безусловно, являются наиболее производимыми. Это динамические или движущиеся катушечные микрофоны и конденсаторные микрофоны.
С другой стороны, если вы хотите знать, какие из лучших микрофонов для подкастинга, не забудьте посетить этот пост. Это самый микрофон, используемый в звукозаписывающих и музыкальных мероприятиях, таких как концерты и театры. Операция такая же, как и генераторы переменного тока. Акустические волны, вибрируют солидную мембрану на медной катушке, эта катушка вводится внутри магнитного поля, создаваемого магнитом. Повторное движение катушки внутри этого магнитного поля создает электрическую энергию, и эта электрическая энергия является электрическим сигналом, который мы будем использовать.
В этой статье мы рассмотрим технические характеристики микрофонов и уделим особое внимание одной из основных характеристик - чувствительности, которую можно перевести из логарифмических единиц в линейные с помощью этого конвертера.
Производители микрофонов ежегодно выпускают миллиарды микрофонов. Первые микрофоны устанавливались в телефоны и радиопередатчики. Сейчас микрофоны используются в акустике (передача и преобразование в электрические сигналы и поток цифровой информации голоса, музыки, звуков естественного происхождения), а также для целей, не связанных с акустикой (в различных датчиках). В наши дни микрофоны используются во многих устройствах: телефонах, системах громкой связи, в аппаратуре радио- и телевизионного вещания, видеозаписи, в мегафонах, системах распознавания речи, системах устного перевода с участием человека-переводчика или (пусть не сегодня, но уже очень скоро) в полностью автоматизированных системах устного перевода.
То же, что и оратор, но наоборот. Это делает его идеальным для захвата звуков, таких как барабаны, трубы и так далее.
- Он поддерживает высокий уровень звукового давления.
- Низкая чувствительность, не точно фиксирует очень низкие акустические сигналы.
- Он имеет плохое поглощение для высоких частот.
- Очень прочные микрофоны.
Если в одном конденсаторе одна из пластин имеет движение относительно другого, расстояние между ними изменяется, и, следовательно, также изменяется грузоподъемность пластины. Движение свободной пластины заставляет конденсатор требовать или отклонять заряд, это движение электронов является тем, которое будет генерировать электрический сигнал, который нам нужен.
Во многих системах микрофоны используются для целей, не связанных с акустикой. Это датчики для измерения расстояний, устройства, который могут включить и выключить различное оборудование в ответ на определенный звуковой сигнал, датчики, определяющие наличие определенных звуков, например детонационных стуков двигателей. При появлении детонационных стуков такие пьезоэлектрические датчики определяют их наличие, чтобы электронный блок управления смог принять меры для их предотвращения.
Разумеется, для использования этого микрофона нам нужно электрически подавать его, заряжать конденсатор и подавать небольшую дозу, которая должна быть очень низкой, сигнал генерирует этот конденсатор, часто включают фильтры и аттенюаторы.
- Плоский ответ для всего диапазона частот, высокая точность.
- Очень чувствительный, иногда может стать насыщенным.
- Они чувствительны к влаге и более хрупким.
Это одна из основных характеристик микрофонов и определяет тип их приема. Мы должны учитывать, что распространение звука различно в зависимости от частоты распространения. Таким образом, звуковой сигнал будет совсем другим. В общем, высокие частоты всегда будут более направленными, чем низкие. Таким образом, когда определена схема захвата микрофона, это будет дано для разных частотных диапазонов, с большей точностью для высоких частот и более всенаправленным для баса.
Классификация микрофонов
Существуют также специализированные микрофоны. Одним из примеров таких микрофонов являются гидрофоны, используемые для прослушивания и записи подводных звуков, например, издаваемых морскими млекопитающими или подводными лодками. Другими примерами являются контактные микрофоны и контактные пьезоэлектрические звукосниматели, которые улавливают звуковые колебания твердых объектов и, в то же время, плохо воспринимают колебания воздуха.
Тип пикапа каждого микрофона будет отображаться на полярной диаграмме, которая указывает направление 0º в направлении, в котором направлен микрофон. Максимальное поглощение осей будет 0 дБ, и мы найдем разные углы, обозначенные относительно оси 0º, и в каждом из них будет отражен уровень затухания, который страдает от звука, исходящего от этого угла. Это приведет к рисованию, кривой, которая определяет тип направленности микрофона.
В зависимости от типа полярной диаграммы мы найдем три большие группы водосбора, наиболее используемые, всенаправленные, однонаправленные и кардиоидные. Это те, кто поднимает звук во всех направлениях. Напротив, они склонны прокормить себя, поэтому они мало используются в концертах.
Микрофоны классифицируются по различным признакам:
Технические характеристики микрофонов
Какой тип микрофона выбрать для записи оркестра, певца, малого барабана или гитары? Кардиоидный, ненаправленный, а, может быть, остронаправленный высокочувствительный микрофон? А как насчет цены? Неужели микрофон за 20 тысяч долларов будет записывать звук в 200 раз лучше микрофона за 100 долларов или в 20 тысяч раз лучше микрофона за доллар (примерно столько стоят микрофоны, устанавливаемые в iPhone или недорогие компьютерные микрофоны). А что если я вам скажу, что микрофон-петличка за доллар, на котором даже нет названия, будет звучать намного лучше, чем Neumann за 20 тысяч, установленный на камере в пяти метрах от источника звука? Вполне возможно, что вы сможете ответить на эти вопросы, если научитесь читать и понимать технические характеристики микрофонов.
Самые известные солнечные пушечные микрофоны, широко используемые в кино для захвата звука с определенного расстояния и, таким образом, не мешают изображению. Полярная диаграмма - это сердечная кривая, отсюда и ее название. Это самая используемая направленность, потому что она не страдает очень сильным затуханием до 90º, и это допускает определенную свободу движения в источнике. Также хороший микрофон не влияет на тембр, так как частотный отклик поддерживается для всего диапазона. Другим преимуществом является то, что у его спины есть максимальное ослабление, которое идеально подходит для использования в качестве карманного микрофона, таким образом, избегая попадания ручных сигналов на микрофон и избегая обратной связи.
В качестве примера, рассмотрим характеристики кардиоидного динамического микрофона Shure PGA48:
- Чувствительность на частоте 1 кГц без нагрузки: –53,5 дБВ/Па (2,10 мВ/Па) при эталонном уровне чувствительности 1 Па = 94 дБ SPL
- Номинальный диапазон частот: 70–15000 Гц
- Характеристика направленности: кардиоида
- Модуль полного электрического сопротивления: 600 Ом
- Выходной соединитель: трехполюсный профессиональный соединитель (вилка) типа XLR
Теперь рассмотрим характеристики микрофонов более подробно.
Чтобы облегчить это решение, Марк Хеншолл в этой статье объясняет наиболее распространенные технические характеристики, помогая пользователям наушников принимать решения на основе знаний. Эти данные относятся к общей марже, в которой будут работать наушники. Он в основном измеряет, с какой частоты наушники начинают производить звук и в которых они перестают это делать.
Этот параметр отличается от предыдущего тем, что он указывает, как правило, через график, как наушники реагируют в разных частотных диапазонах. Это идеально подходит для определения того, будет ли продукт иметь более или менее серьезные, средние или высокие частоты.
Чувствительность в децибелах и линейных единицах
Микрофон представляет собой преобразователь, который преобразует звуковое давление в электрическое напряжение на выходе. Его чувствительность представляет собой соотношение между входным звуковым давлением и выходным электрическим напряжением. Она показывает насколько хорошо микрофон выполняет эту функцию преобразования. Высокочувствительный микрофон создает более высокое напряжение для определенного звукового давления, а значит, требует меньшего усиления в микшере или устройстве записи звука. Однако чувствительность никак не влияет на общее качество микрофона.
Не все уши одинаковы. Когда мы рассматриваем частотный диапазон и ответ, важно помнить, что слушание является индивидуальным. Независимо от того, что говорится в спецификации, каждый человек будет испытывать слуховой опыт по-разному в соответствии с внутренней структурой своего уха. Другие факторы, которые будут влиять на звучание наушников: музыкальный стиль, тип проигрывателя и, в случае внутриуровневых наушников, используемые наушники.
Этот параметр измеряется в децибелах звукового давления на милливатт и является хорошим ориентиром для того, чтобы знать, как гарнитура будет реагировать, когда применяется конкретный входной сигнал. С другой стороны, каждое устройство, к которому вы подключаете свои наушники, будет иметь другой выходной уровень. Портативные устройства обычно имеют самые низкие допустимые уровни для наушников. Устройство, подключенное к сети, например, микшер, будет иметь большую мощность, позволяя наушникам звучать более интенсивно.
Чувствительность можно выразить в удобных линейных единицах в виде отношения напряжения на выходе микрофона в милливольтах на разомкнутом выходе или на нагрузке в 1 кОм к давлению синусоидального звукового сигнала с частотой 1 кГц. Именно такой подход, впрочем, весьма непоследовательный, принят в российских ГОСТах, описывающих параметры микрофонов и их измерение. Часто используемые логарифмические единицы не очень понятны людям далеким от техники.
Типичная максимальная входная мощность для студийных наушников составляет приблизительно 1 Вт. Это значение представляет собой очень высокую мощность для устройства, которое излучает звук, в основном прикрепленный к барабанной перепонке, и может повредить как изделие, так и ухо, если оно не используется правильно. Таким образом, эта спецификация дает руководство для оценки того, является ли продукт хорошим выбором в соответствии с устройством или устройством, к которому он должен быть подключен.
Импеданс - это электронный термин, который измеряет оппозицию, которая представляет устройство для прохождения переменного тока. Импеданс важен, потому что вы хотите, чтобы ваш плеер или источник звука имели выходной импеданс ниже. Например, если ваш плеер имеет импеданс 8 Ом, то вы хотите убедиться, что ваши наушники имеют импеданс в несколько раз больше этого фактора. Это просто означает, что каждая гарнитура лучше всего подходит для устройства или приложения. Микрофоны - это те аксессуары, которые выбраны много раз, потому что кто-то сказал нам, что они работают хорошо или просто, и вы должны признать это, потому что они приятны или удобны в использовании.
Чувствительность микрофона обычно (в Европе и Америке, но не по российскому ГОСТу) выражается в логарифмических единицах (децибелах) и обычно измеряется с помощью излучения сигнала синусоидальной формы частотой 1 кГц и давлением 1 паскаль (1 Па = 1 Н/м² = 10 дин/см² = 10 микробар, которое соответствует уровню эквивалентного звукового давления 94 дБ SPL. Некоторые изготовители микрофонов используют другой эталонный уровень чувствительности - 74 дБ SPL, который соответствует давлению 0,1 Па или 1 дин/см². Однако рекомендуется использовать 94 дБ SPL, так как уровень звукового давления 74 дБ SPL слишком близок к типичному уровню шума.
Тем не менее, при выборе микросхемы, который лучше всего подходит, мы должны учитывать несколько технических характеристик. Это элемент, с которым нет необходимости быть одержимым, потому что это необходимо, так как для использования любительского радио достаточно таких же микрофонов потребления, как и те, которые приносят оборудование серии. Однако, если мы хотим подчеркнуть нюансы голоса и обеспечить личный контакт с передачей, тогда мы должны подумать об изменении его для другого, что дает нам плюс.
Посмотрим, какие функции вы должны искать при выборе микрофона. Этот термин имеет определенный параллелизм с тем, который обрабатывается при разговоре о приеме команд. Это будет зависеть от расстояния источника и угла, который источник имеет от микрофона. Это не фундаментальные характеристики, и его значение будет больше или меньше в зависимости от использования, которое ему будет дано, и окружающей среды, в которой оно используется. В случае направленных микрофонов для удаленных аудиоразъемов требуется высокая чувствительность; в настольных компьютерах для общего использования этот фактор не будет таким преобладающим.
Величина сигнала, снимаемого с микрофона, является мерой его чувствительности. Чем она выше, тем больше чувствительность микрофона. В связи с очень большим диапазоном человеческого слуха и удобства для измерения звуков пользоваться логарифмической шкалой, чувствительность микрофонов часто измеряют в децибелах относительно эталонного уровня чувствительности в 1 В/Па. Это очень большой уровень, намного превышающий чувствительность любого микрофона, поэтому их чувствительность в децибелах выражается отрицательными значениями. В этом конвертере единиц измерения для перевода чувствительности в децибелах в линейные единицы мВ/Па и наоборот используются следующие формулы:
С величиной чувствительности мы знаем, насколько она способна воспринимать слабые сигналы, а затем слышится. Концепция меняется в зависимости от частоты, поэтому значения чувствительности задаются на заданной частоте. Для расчета чувствительности используются два метода, так называемая разомкнутая цепь и расчет максимальной выходной мощности, что означает, что мы не всегда можем сравнивать чувствительность двух или более микронов, так как это будет зависеть от системы который использовался для его расчета.
Чувствительность выражается в дБ по отношению к эталонному значению, а в качестве эталонного уровня выше выходного сигнала микросигнала значение чувствительности задается в отрицательных числах. Таким образом, можно сказать, что микрофон с чувствительностью -48 дБ будет иметь более высокий уровень сигнала, чем другой, с чувствительностью, например, -52 дБ. Чем выше число, тем лучше чувствительность. Таким образом, когда сигнал поступает из источника звука с определенным уровнем, микрофон с низкой чувствительностью обеспечивает более низкий уровень сигнала, чем другой, с более высокой чувствительностью.
S dB re 1V/Pa = 20 log 10 (TFmV/Pa/1000 mV/Pa)
TF mV/Pa = 1000 mV/Pa × 10(S dB re 1V/Pa/20).
S dB относительно 1В/Па - чувствительность в децибелах относительно 1 В/Па,
TF мВ/Па - чувствительность в мВ/Па и
1000 мВ/Па = 1 В/Па - эталонный уровень чувствительности, равный напряжению 1 В, вырабатываемом микрофоном при действии на него звукового давления в 1 Па.
Наиболее чувствительными микрофонами обычно являются конденсаторы, поскольку они имеют схему усилителя. Мы уже говорили, что это не основные характеристики, но это не перестает быть важным. При использовании микрофонов с низкой чувствительностью, таких как динамика, перегрузки и искажения могут возникать из-за чрезмерного усиления. Не путайте этот эффект с искажением микро.
Вероятно, это одна из характеристик, которую меньше учитывают и, тем не менее, она является основной. Чтобы понять эту концепцию, возможно, вам поможет видео, которое мы опубликовали о том, как настроить выравнивание микрофона. Концепция частотного отклика служит для определения диапазона частот, в которых работает микросистема, т.е. динамического диапазона, который он предлагает, не вызывая больших искажений.
Логарифмическая чувствительность в децибелах с указанным эталонным уровнем является «абсолютной» величиной, то есть, ее всегда можно преобразовать в мВ/Па или любые иные линейные значения.
Почему именно 94 или 74 децибела можно увидеть во всех статьях, посвященных чувствительности микрофонов? Это связано с уровнем порога слышимости человека, равного 2 10⁻⁵ Н/м² или 20 мкПа для синусоидальной волны частотой 1 кГц. Именно такой самый тихий звук может обнаружить здоровый молодой человек. Уровень звукового давления в децибелах P SPL , измеренный по относительной шкале для давления 1 Па, часто используемого для измерения чувствительности микрофонов, определяется по формуле
P SPL = 20·Log₁₀(P/P₀),
где P = 1 Па и P₀ = 2·10⁻⁵ Па. То есть,
P SPL = 20·Log₁₀(1/2·10⁻⁵) = 93,979 dB.
Если же использовать в качестве опорного уровня давление не в 1 паскаль, а в 1 дин/см² = 2·10⁻⁴ Па, то имеем:
P SPL = 20·Log₁₀(1/2·10⁻⁴) = 73,979 дБ.
Отметим, что эти две величины отличаются ровно на 20 децибел. Отметим также, что 94 и 74 децибела - это абсолютные значения звукового давления, равного 1 Па и 1 дин/см² соответственно. .
Более высокие значения чувствительности в децибелах указывают на более высокую чувствительность, например, микрофон с чувствительностью в –50 дБ является более чувствительным, чем микрофон с чувствительностью –65 дБ. Чувствительность гидрофонов обычно выражают в децибелах относительно эталонного уровня 1 В/мкПа.
Несмотря на то, что чувствительность не является показателем качества микрофона, эта характеристика имеет особое значение при записи таких слабых звуков, как, например, движение эмбрионов в куриных яйцах. В то же время, если нужно записать звук кузнечного молота, то при использовании высокочувствительного микрофона входные каскады предусилителя или микшера скорее всего будут перегружены, что приведет к появлению искажений. В остронаправленных микрофонах («пушках») для записи звуков от удаленных источников используются высокочувствительные головки. В то же время в микрофонах для записи речи или вокала, которые находятся всего в нескольких сантиметрах от источника звука, например, в упомянутом выше Shure PG48, установлены микрофонные капсюли значительно меньше чувствительности. Чувствительность микрофона - только один показатель среди множества других, которые следует учесть при выборе микрофона для конкретной области применения.
В технических характеристиках микрофонов чувствительность обычно указывается для разомкнутой цепи , то есть без нагрузки. Есть несколько причин измерения чувствительности именно таким образом. Во-первых, в этом случае можно рассчитать, как будет работать микрофон на любую нагрузку. Для этого нужно знать всего две величины: чувствительность без нагрузки и полное выходное сопротивление микрофона. Во-вторых, в современном оборудовании для обработки и усиления звука для эффективного использования микрофоны всегда подключают к высокоомной нагрузке, например, 200-омный микрофон следует подключать к нагрузке сопротивлением не менее 2 кОм. Тогда можно считать, что микрофон работает на разомкнутую цепь. Чувствительность для разомкнутой цепи удобна также для сравнения чувствительности различных микрофонов.
При сравнении чувствительности микрофонов различных изготовителей следует учитывать какие эталонные уровни чувствительности используются в характеристиках - упомянутые выше 94 или 74 дБ SPL. Например, взятый в качестве примера микрофон Shure PGA48, имеет чувствительность 2,1 мВ/Па, что соответствует чувствительности –73,5 дБ относительно 1В/дин см² и –53,5 дБ относительно 1 В/Па. Видно, что разность величин чувствительности в децибелах равна точно 20 дБ. Таким образом, для сравнения чувствительности микрофонов различных изготовителей можно воспользоваться нашим конвертером для преобразования различных значений к одному эталонному уровню чувствительности.
Ниже в таблице приведены типичные значения чувствительности микрофонов с различными типами преобразователей в дБВ/Па и мВ/Па.
Чувствительность по мощности
В литературе, посвященной динамическим микрофонам, выпущенной до середины прошлого века, да и в характеристиках самих микрофонов той поры можно найти характеристики чувствительности микрофонов по мощности, которые были приняты на заре развития радиовещания, когда была в ходу концепция согласования входного и выходного импеданса. В соответствии с этой концепцией, микрофон должен был подключаться к нагрузке с импедансом, равным внутреннему импедансу микрофона. Позже была принята идея согласования по напряжению, и она остается актуальной для микрофонов и усилителей и сейчас. То есть, сейчас считается, что импеданс любого предусилителя должен быть не менее, чем на порядок (в десять раз) выше, чем внутреннее сопротивление микрофона. Поэтому концепция чувствительности микрофона по мощности представляет исключительно исторический интерес и здесь не обсуждается.
Полоса воспроизводимых частот
График частотной характеристики показывает полосу воспроизводимых микрофоном частот в области 20 Гц - 20 кГц, то есть в диапазоне слуха человека. Часто на этом графике имеются кривые для различного расстояния от микрофона до источника звука. Диаграмма получена в результате тестирования микрофона в звукомерной (безэховой) камере, которая обеспечивает полное поглощение отраженных звуков. Испытуемый микрофон помещается перед калиброванным громкоговорителем, излучающим розовый шум, спектральная плотность которого затухает на 3 дБ на каждую октаву. Выходной сигнал микрофона анализируется и результаты анализа выдаются в форме графика частотной характеристики, на горизонтальной оси которого в логарифмическом масштабе указывается частота, а на вертикальной - относительный уровень сигнала в децибелах.
Характеристика направленности
Характеристика (диаграмма) направленности микрофона показывает зависимость чувствительности микрофона к направлению падения звуковой волны относительно его акустической оси. Обычно эту характеристику представляют в полярных координатах, в которых каждая точка на плоскости определяется расстоянием от начала координат до этой точки (полярным радиусом) и углом между нулевым направлением и направлением на эту точку (азимутом). Наиболее часто применяются ненаправленные микрофоны или направленные микрофоны с диаграммой направленности в полярных координатах в форме кардиоиды, субкардиоиды, гиперкардиоиды и суперкардиоиды. Имеются также двунаправленные микрофоны с диаграммой направленности в форме объемной восьмерки.
Полное внутреннее (выходное) сопротивление
Модуль полного внутреннего электрического сопротивления (импеданс) описывает сопротивление магнитной катушки или мембраны в случае ленточного микрофона, или выходное сопротивление предусилителя в случае конденсаторного микрофона. Диапазон значений модуля полного внутреннего сопротивления у разных типов микрофонов велик - от 1 ома у ленточного микрофона до десятков и сотен мегаом у конденсаторных микрофонов. Впрочем, в конденсаторных микрофонах всегда имеется внутренний предусилитель, выходное сопротивление которого значительно (на несколько порядков) меньше выходного сопротивления самой головки конденсаторного микрофона.
До середины пятидесятых годов прошлого века инженеры, занимающиеся вопросами звукозаписи, согласовывали импедансы микрофонов и усилителей. Однако в наши дни никто больше не озабочен вопросами согласования импедансов микрофонов с усилителями, так как обычно полное внутреннее выходное сопротивление самого микрофона или его предусилителя относительно низкое, в то время как входное сопротивление усилителя мощности или микшера относительно высокое (обычно выше более, чем на порядок).
Тепловой шум и эквивалентный уровень шума
Мы хорошо слышим тихий шипящий шум микрофонов и усилителей (не путать с сетевым гулом!), который представляет собой тепловой шум, являющийся результатом броуновского движения ионизированных молекул в проводнике, обладающем электрическим сопротивлением. Этот шум всегда присутствует и избавиться от него невозможно. Современные микрофоны имеют модуль полного внутреннего сопротивления 150–300 Ом и это сопротивление генерирует тепловой шум и при полном отсутствии звукового сигнала. Полупроводниковые приборы и резисторы усилителей, к которым подключаются микрофоны, также генерируют шум, который также невозможно устранить, но можно несколько уменьшить различными способами. Низкий уровень шума особенно полезен, когда приходится работать с очень тихими звуками, так как такие звуки могут «утонуть» в неизбежном шуме микрофона и усилителя.
Собственный шум микрофонов обычно приводится в их характеристиках в форме отношения сигнал-шум в децибелах или в форме величины собственного шума , которая указывается как эквивалентный уровень шума . Например, собственный шум конденсаторного микрофона iSK BM-800 равен 16 дБ(А). Здесь в децибелах с весовым фильтром А (дБ(А)) измеряется уровень звукового давления со взвешивающим фильтром типа А относительно звукового давления 20 мкПа, соответствующего порогу слышимости человека. А-фильтр предназначен для измерения относительно тихих звуков и для фильтрации низкочастотных шумов. При такой методике измерения собственных шумов хорошими считаются результаты ниже 15 дБ(А). Имеется и другая методика измерения шума, при использовании которой хорошими шумовыми характеристиками обладают микрофоны, если результат измерений менее 30 дБ.
Уровень предельного звукового давления
При записи звука необходимо знать какой предельный уровень звукового давления может выдержать используемый микрофон без превышения установленного в нормативно-технической документации суммарного коэффициента гармонических искажений (обычно 0,5, 1 или 3%) и, конечно, без ограничения сигнала, при котором синусоида превращается в меандр. 0,5-процентные искажения можно измерить, но нельзя услышать. Например, уровень предельного звукового давления микрофона iSK BM-800 равен 132 дБ на частоте 1 кГц при суммарном коэффициенте гармонических искажений 1%.
Динамический диапазон
Динамический диапазон микрофона определяется как диапазон звуковых давлений в децибелах, верхний предел которого ограничен уровнем предельного звукового давления, а нижний - эквивалентным уровнем собственного шума, измеренного с фильтром типа А. В нашем примере конденсаторного микрофона iSK BM-800 динамический диапазон можно рассчитать как 132 дБ – 16 дБ = 116 дБ. Следует отметить, что многие изготовители микрофонов не указывают динамический диапазон в технических характеристиках своих изделий.
Эффект близости
Каждый направленный микрофон характеризуется эффектом близости, который выражается в подчеркивании нижних частот при приближении источника звукового сигнала близко к микрофону. У ненаправленных микрофонов эффект близости отсутствует, в то время как у кардиоидных динамических вокальных микрофонов наблюдается усиление нижних частот до 16 дБ и даже более, если вокалист касается микрофона губами. Эффект близости обычно показывается на частотных характеристиках микрофонов в форме отдельных кривых с указанием расстояния от микрофона до источника звука. Ведущие радиопередач часто используют эффект близости для придания глубины своему голосу. В то же время, этот эффект может ухудшить разборчивость речи.
Гармонические искажения
В акустике суммарный коэффициент гармонических искажений сигнала определяется как отношение суммы мощностей всех гармонических компонентов к мощности основной частоты и характеризует линейность аудиосистемы. Обычно он выражается в процентах. Если полные гармонические искажения невелики, то компоненты акустической системы (микрофон, предусилитель, микшер, усилитель мощности и громкоговоритель) позволяют точнее воспроизводить звук. Для калибровки микрофона используют испытательный громкоговоритель, который излучает чистый синусоидальный звуковой сигнал. Воздействующий на микрофон звуковой сигнал анализируется на наличие первых пяти гармоник основной частоты.
Тип микрофонного соединителя
В микрофонах для бытового употребления обычно используются телефонные стерео или моно соединители типа TRS с диаметром вилки 6,35 мм, 3,5 мм или 2,5 мм. В профессиональных микрофонах чаще всего используется трехполюсный соединитель XLR, предназначенный для передачи балансного аудиосигнала. Иногда применяются и другие соединители, например, в радиолюбительской или профессиональной аппаратуре связи.
Трехполюсный соединитель XLR, используемый для балансной передачи звукового сигнала по экранированной витой паре, заслуживает особого внимания. Он используется в абсолютном большинстве профессиональных микрофонов. Балансные линии позволяют использовать длинные кабели, так как они уменьшают восприимчивость кабелей к внешним электромагнитным помехам. Кабель имеет две жилы для передачи звукового сигнала - по одному проводу идет прямой сигнал от микрофона (контакт 2), по другому инверсный (противофазный), полярность которого противоположна прямому сигналу (контакт 3). Эти два провода подключаются к входу дифференциального усилителя, который усиливает разность напряжений между двумя балансными линиями и подавляет помехи, которые являются синфазными. Скрутка проводов уменьшает электромагнитные помехи, вызванные электромагнитной индукцией. Третий провод - экранная оплетка кабеля, подключаемая к контакту 1 соединителя XLR.
Выводы
Мы надеемся, что, прочитав эту статью, вы сможете читать и понимать технические характеристики микрофонов, сравнивать их и выбирать микрофон, который вам нужен для выполнения конкретной задачи. Однако помните, что характеристики дают только объективную информацию об электроакустических возможностях микрофона и не могут показать как микрофон будет звучать. Они не могут рассказать всё о качестве микрофона. Например, они определенно не расскажут о качестве пайки элементов на печатной плате предусилителя или о качестве изготовления мембраны капсюля конденсаторного микрофона.
А как же насчет цены? Тут стоит помнить, что известные изготовители микрофонов используют те же рассчитанные на снобизм методы привлечения далеких от техники покупателей, которые используют компании, выпускающие духи и модную одежду . «Микрофоны Neumann признаны профессионалами по всему миру! Их можно найти в любой уважающей себя студии звукозаписи! Если у тебя есть Neumann - ты настоящий профессионал!»
В. М. Сапожков. Акустика. М. - «Книга по требованию»
Электретные микрофоны
Начиная с 1970-х годов, получили широкое распространение. Для диафрагмы применяется специальная металлизированная поляризованная пленка, способная удерживать длительное время заряд, что позволяет не использовать поляризующее напряжение
Из новых направлений можно отметить активно проводимые в последние годы на фирме Sennheiser работы по созданию оптических микрофонов, принцип действия которых показан на рис. 6.3.8: луч лазера падает на диафрагму, при колебаниях которой модулируется отраженный световой поток, затем с помощью фотодиода он преобразуется в переменный электрический сигнал. Первые образцы таких микрофонов уже были продемонстрированы фирмой Sennheiser на конгрессах AES.
Широкое распространение в современной практике звукозаписи получили радиомикрофоны, обеспечивающие передачу сигналов за счет частотной модуляции высокочастотных волн (обычно в диапазоне 450-950 МГц) звуковыми колебаниями. Это позволяет обеспечить беспроводную передачу сигналов на расстоянии до 100 м и более. Аналогично используется система беспроводной передачи в инфракрасном диапазоне.
По областям применения микрофоны разделяются на множество групп, отличающихся конструктивными особенностями и параметрами, - например, студийные, репортажные, для служебной связи, для систем озвучивания и т. д.
Чувствительность, SPL, соотношение сигнал шум, выходное сопротивление, размеры мембраны. Приемники давления и градиента давления. Коммутация, предварительное усиление.
К микрофонам предъявляются очень жесткие требования: - по техническим параметрам (большой динамический диапазон - до 100 дБ; широкий частотный диапазон - не менее 20- 20000 Гц; малые нелинейные искажения - меньше 1% и др.);
По эстетическим критериям (т. к. микрофон постоянно виден зрителям на сцене, на экране телевизора, и др.);
По надежности (поскольку микрофон подвергается различным климатическим и механическим воздействиям: ветер, влажность, температура, тряска, удары и др.);
По качеству звучания (для сохранения естественного тембра при передаче музыки различных жанров, пения, речи и др.)
Основные параметры микрофонов, обычно указываемые в современных каталогах и технической документации, следующие:
номинальный диапазон частот (frequency range) - частотный диапазон, в котором определяются параметры микрофона (задается производителем). Для современных конденсаторных микрофонов он обычно равен 20-20000 Гц. Внутри этого диапазона определяется зависимость уровня чувствительности от частоты и другие параметры;
Чувствительность (sensitivity) - («среднеквадратичное (RSM) значение напряжения на выходе микрофона на нагрузочном сопротивлении 1 кОм на частоте 1 кГц, когда на него действует давление 1 Па (94 дБ) в условиях свободного поля (угол приема 0°)»; - определяет способность микрофона преобразовывать акустическое давление в электрическое напряжение. Она определяется отношением сигнала на выходе микрофона к сигналу на входе микрофона.
В зависимости от способа измерения различаются следующие виды чувствительности: чувствительность по свободному полю («отношение напряжения на выходе микрофона к звуковому давлению в свободном звуковом поле в рабочей точке, занимаемой микрофоном, на данной частоте. Если угол приема не указан, то имеется в виду, что угол приема (между осью микрофона и направлением падения звуковой волны) 0°», чувствительность по давлению, чувствительность по диффузному полю, чувствительность на холостом ходу, чувствительность на номинальной нагрузке. Они все имеют несколько разные значения.
Уровень чувствительности (L ДБ) - двадцать логарифмов отношения чувствительности микрофона к значению 1 В/Па. Обычно чувствительность современных конденсаторных микрофонов находится в пределах от 8 до 40 мВ/Па. Например, микрофон DPA Туре 3530 имеет чувствительность 10 мВ/Па и уровень чувствительности (- 40 дБ) (на холостом ходу), микрофон С-3000В фирмы AKG - 25 мВ/Па (-32 дБ);
Частотная характеристика чувствительности микрофона (Frequency Response) - зависимость чувствительности или уровня чувствительности от частоты в номинальном диапазоне частот.
Зависимость чувствительности микрофона от угла падения звуковой волны определяется с помощью следующих параметров:
Характеристика направленности - зависимость чувствительности микрофона на заданной частоте в свободном поле от угла падения звуковой волны. Частотные характеристики направленности определяются как семейство частотных характеристик чувствительности измеренных при разных углах падения звуковой волны в свободном поле. Эти же характеристики могут быть записаны в полярных координатах (рис. 6.3.4), показывающих зависимость уровня чувствительности (дБ) от угла падения волны (на рис. 6.3.4 окружности соответствуют различному уровню чувствительности в дБ - обычно выбирается шаг 5 дБ, - а диаметры - углу падения звуковой волны по отношению к оси в градусах). Полярные диаграммы (polar pattern) также записываются в заглушённой камере, микрофон при этом вращается вокруг оси относительно излучателя;
Коэффициент осевой концентрации определяет отношение звуковой энергии, падающей на микрофон вдоль оси, к энергии со всех остальных направлений.
Выбор микрофонов с различными характеристиками направленности определяется условиями записи: расположением источников (например, инструментов в оркестре), шириной звуковой панорамы, уровнем шумов в окружающем пространстве, стремлением получить специальные звуковые эффекты и др. Именно поэтому в настоящее время промышленностью выпускается огромное многообразие микрофонов с различными (часто переключаемыми на одном микрофоне) видами характеристик направленности;
Уровень максимального звукового давления (max SPL) - уровень звукового давления, при котором коэффициент гармонических искажений не превосходит заданного значения;
Полный коэффициент гармонических искажений (THD) определяется по методике, используемой для определения чувствительности, но при этом с помощью анализатора спектра измеряется напряжение на выходе микрофона, соответствующее первой гармонике U1, второй U2 и т. д. Обычно величина коэффициента гармонических искажений для современных микрофонов задается < 0,5% при максимально допустимых уровнях звукового давления (max SPL).
Уровень собственных шумов микрофонов: стандарт ГОСТ 16123-88 вводит параметр «уровень эквивалентного звукового давления, обусловленного помехами», который определяется как «двадцать десятичных логарифмов отношения звукового давления, вызывающего на выходе микрофона напряжение, равное напряжению, обусловленному внешними и внутренними помехами при отсутствии звукового поля, к звуковому давлению, равному 2 х 10 -5 Па». Это означает, что измеряется напряжение на выходе микрофона в отсутствие звукового давления, обусловленное только внутренними шумами, и затем определяется, какому звуковому давлению оно могло бы соответствовать.
В международных каталогах на микрофоны обычно указываются следующие величины: эквивалентный уровень шума (Equivalent Noise Level) и отношение «сигнал/шум» (Signal/Noise ratio). Способы измерения несколько отличаются в разных стандартах, поэтому обычно в современных каталогах приводятся два значения эквивалентного уровня шумов: по стандарту DIN 45412 (IEC 651) и по стандарту DIN 45405 (CCIR 468-2). Например, для конденсаторного микрофона С-3000В фирмы AKG эквивалентный уровень шумов по стандарту IEC-651(DIN45-412) составляет 14 дБ-А, а по стандарту CCIR468-2(DIN45-405) - 25 дБ.
Для характеристики собственных шумов микрофонов используется также отношение «сигнал/шум», которое тоже рассчитывается двумя способами:
1) S/N ratio (DIN/IEC651) - отношение «сигнал/шум», рассчитанное как разница между опорным уровнем звукового давления 94 дБ (1 Па) и эквивалентным уровнем шума, измеренным по IEC 651;
2) S/N ratio (CCIR 468-2) - отношение «сигнал/шум», рассчитанное как разница между уровнем 94 дБ и эквивалентным уровнем шума, измеренным по CCIR 468-2. Для студийных конденсаторных микрофонов эти величины находятся в пределах 74-84 дБ (DIN/IEC 651) и 64-74 дБ (CCIR). Например, для того же микрофона С-3000В эти отношения составляют 80 дБ и 69 дБ;
Динамический диапазон (dynamical range) - разность между максимальным уровнем звукового давления (max SPL), при котором нелинейные искажения на выходе микрофона не превышают заданную величину, и эквивалентным уровнем шума. Например, для микрофона фирмы С-3000В он равен 120 дБ;
Полное электрическое сопротивление микрофона определяется как отношение величины напряжения на выходе к результирующему току. Величина выходного электрического импеданса (output electrical impedance), т. е. модуля полного электрического сопротивления, в большинстве современных конденсаторных микрофонов находится в диапазоне 50-200 Ом, у динамических микрофонов до 600 Ом. При этом входное сопротивление предусилителей (input recommended load impedance) должно быть больше выходного сопротивления микрофона в 5-10 раз и составляет обычно 1000-2000 Ом. При таком соотношении сопротивлений обеспечиваются минимальные потери в кабеле.
Электродинамические микрофоны всех групп сложности имеют рабочий диапазон, как правило, - 40°... + 50° по температуре и 95% влажности при 20°, конденсаторные -10°... +35° и 85% влажности при 20°.
По видам характеристики направленности все микрофоны могут быть разделены на три группы: ненаправленные (omnidirectional) - приемники давления; двунаправленные (bidirectional) - приемники градиента давления; однонаправленные (unidirectional) - комбинированные.
Ненаправленные микрофоны - приемники давления (pressure microphone). Если условно изобразить микрофон (это относится к любому типу преобразования) в виде гибкой диафрагмы (мембраны) в корпусе с жесткими стенками, то переменное звуковое давление от источника звука будет воздействовать на диафрагму только с одной стороны (рис. 6.3.9а). На низких частотах, когда длина волны много больше размеров микрофона, звуковые волны со всех направлений приходят в одинаковой фазе на мембрану в пределах ее площади, т. е. микрофон как бы «не чувствует» направление их прихода. Чувствительность такого микрофона одинакова для всех направлений прихода звуковой волны; следовательно, характеристика направленности представляет собой шар, в центре которого находится ненаправленный микрофон (рис. 6.3.10). Микрофоны - Приемники давления являются ненаправленными только в области низких частот, с увеличением частоты их направленность обостряется. Такие микрофоны находят широкое применение в технике звукозаписи, особенно для записи звуков окружающего (реверберационного) пространства и шумов.
Двунаправленные микрофоны - приемники градиента давления (pressure gradient microphone). Схематически принцип работы микрофона - приемника градиента давления показан на рис. 6.3.96. В таком микрофоне независимо от принципа преобразования должен быть обеспечен доступ звуковой волны как с лицевой, так и с тыльной стороны мембраны (в корпусе микрофона делаются отверстия для доступа звуковых волн к задней части мембраны). При этом мембрана находится под действием разности (т. е. градиента) сил.
Когда угол падения звуковой волны 0° или 180°, то разность (градиент) сил воздействия максимальна, а когда угол падения 90°, то она равна нулю; отсюда зависимость чувствительности от угла падения имеет вид, показанный на рис. 6.3.10. Характеристика направленности такого типа обычно называется «восьмерка» («figure eight»). Микрофоны с такой характеристикой направленности чувствительны к звуковым волнам, падающим вдоль оси, и практически нечувствительны к звуковым волнам, падающим под углом 90° к оси. Они находят достаточно широкое применение при стереозаписи, например по системе MS.
Направленные микрофоны обладают еще одним свойством - зависимостью их уровня чувствительности от расстояния до источника. Это свойство называется «эффектом близости» (proximity effect) и объясняется тем, что на близком расстоянии микрофон находится в «ближней зоне» действия источника, т. е. в зоне распространения сферической волны. В сферической волне звуковое давление изменяется с расстоянием: р - 1/г, поэтому разность давления, которое действует на лицевую сторону мембраны, и давления, действующего на ее тыльную сторону, увеличивается за счет дополнительной разности (градиента) давлений, возникающих в сферической волне из-за разницы расстояний. За счет этого чувствительность направленного микрофона на низких частотах возрастает; по мере повышения частоты эффект перестает сказываться. Поэтому при использовании направленных микрофонов на близких расстояниях необходимо учитывать подъем частотной характеристики на низких частотах (вводя при записи необходимую коррекцию).
К числу интересных конструкций, получивших широкое распространение в студийной практике, можно отнести микрофоны пограничного слоя (PZM). Конструкция микрофона (рис. 6.3.14) включает в себя экран с установленным параллельно ему на близком расстоянии капсюлем микрофона (обычно конденсаторного). Такая установка позволяет увеличить на 6 дБ уровень звукового давления, действующего на микрофон за счет отраженной волны, и сформировать полусферическую диаграмму направленности, практически не зависящую от частоты (примером может служить модель Neumann GFM 132).
Чувствительность конденсаторного капсюля зависит как от размеров мембраны, расстояния между ней и базовым электродом, так и от поляризующего напряжения. Микрофоны для музыкального применения чаще всего имеют диаметр мембраны в пределах от 15 до 30 мм. Измерительные микрофоны имеют мембраны меньшего диаметра, вплоть до 2 – 3 мм. Микрофоны с мембраной большого диаметра (25 – 35 мм), как правило, имеют сильно зависящую от частоты диаграмму направленности, более ярко выраженную направленность в области высших частот, вследствие чего они окрашивают диффузный звук.
Угол снятия звука:
Всенаправленный микрофон 360°
Кардиоидный микрофон 131°
Суперкардиоидный микрофон 115°
Гиперкардиоидный микрофон 105°
