Πώς λειτουργεί ένα μικρόφωνο, τύποι μικροφώνων

Ειδικές ηλεκτροακουστικές συσκευές που ονομάζονται μικρόφωνα χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή των ηχητικών δονήσεων σε ηλεκτρικό ρεύμα. Το όνομα αυτής της συσκευής σχετίζεται με έναν συνδυασμό δύο ελληνικών λέξεων, οι οποίες μεταφράζονται ως "μικρό" και "φωνή".

Το μικρόφωνο είναι ένας μετατροπέας των ακουστικών δονήσεων στον αέρα σε ηλεκτρικές δονήσεις.

Η αρχή λειτουργίας του μικροφώνου είναι ότι οι ηχητικές δονήσεις (στην πραγματικότητα οι διακυμάνσεις της πίεσης του αέρα) επηρεάζουν την ευαίσθητη μεμβράνη της συσκευής και ήδη οι κραδασμοί της μεμβράνης προκαλούν τη δημιουργία ηλεκτρικών δονήσεων, αφού είναι η μεμβράνη που συνδέεται με το εξάρτημα της συσκευής που παράγει ηλεκτρικό ρεύμα, η συσκευή της οποίας εξαρτάται από τον τύπο του συγκεκριμένου μικροφώνου.

Με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, σήμερα τα μικρόφωνα χρησιμοποιούνται ευρέως σε διάφορους τομείς της επιστήμης, της τεχνολογίας, της τέχνης κ.λπ. Χρησιμοποιούνται σε εξοπλισμό ήχου, σε φορητές συσκευές, χρησιμοποιούνται στη φωνητική επικοινωνία, την εγγραφή φωνής, στην ιατρική διάγνωση και στην έρευνα υπερήχων.χρησιμεύουν ως αισθητήρες, και σε πολλούς, πολλούς άλλους τομείς της ανθρώπινης δραστηριότητας, κανείς απλά δεν μπορεί να κάνει χωρίς μικρόφωνο με τη μία ή την άλλη μορφή.

Τα μικρόφωνα έχουν διαφορετικά σχέδια, επειδή σε διαφορετικούς τύπους μικροφώνων διαφορετικά φυσικά φαινόμενα είναι υπεύθυνα για τη δημιουργία ηλεκτρικών ταλαντώσεων, τα κυριότερα από τα οποία είναι: ηλεκτρική αντίσταση, ηλεκτρομαγνητική επαγωγή, αλλαγή χωρητικότητας και πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο... Σήμερα, σύμφωνα με την αρχή της συσκευής, διακρίνονται τρεις κύριοι τύποι μικροφώνων: δυναμικά, συμπυκνωτικά και πιεζοηλεκτρικά. Ωστόσο, μέχρι στιγμής υπάρχουν διαθέσιμα μικρόφωνα άνθρακα σε ορισμένα μέρη και θα ξεκινήσουμε την ανασκόπησή μας με αυτά.

Carbon μικρόφωνο

Το 1856, Γάλλος επιστήμονας Du Monsel δημοσίευσε την έρευνά του, η οποία έδειξε ότι ακόμη και με μια μικρή αλλαγή στην περιοχή επαφής των ηλεκτροδίων γραφίτη, η αντίστασή τους στη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος αλλάζει αρκετά σημαντικά.

Είκοσι χρόνια αργότερα, ένας Αμερικανός εφευρέτης Εμίλ Μπερλίνερ δημιούργησε το πρώτο μικρόφωνο άνθρακα στον κόσμο με βάση αυτό το εφέ. Αυτό συνέβη στις 4 Μαρτίου 1877.

Η λειτουργία του μικροφώνου Berliner βασίστηκε ακριβώς στην ιδιότητα της επαφής με ράβδους άνθρακα για αλλαγή της αντίστασης του κυκλώματος λόγω αλλαγής στην αγώγιμη περιοχή επαφής.

Ήδη τον Μάιο του 1878 δόθηκε η ανάπτυξη της εφεύρεσης Ντέιβιντ Χιουζ, ο οποίος τοποθέτησε μια ράβδο γραφίτη με μυτερά άκρα και μια μεμβράνη στερεωμένη σε αυτήν ανάμεσα σε ένα ζευγάρι κούπες άνθρακα.

Όταν η μεμβράνη δονείται από τη δράση του ήχου πάνω της, αλλάζει και η περιοχή επαφής της ράβδου με τα κύπελλα, όπως και η αντίσταση του ηλεκτρικού κυκλώματος στο οποίο είναι συνδεδεμένη η ράβδος. Ως αποτέλεσμα, το ρεύμα στο κύκλωμα άλλαξε μετά τις δονήσεις του ήχου.

Τόμας Άλβα Έντισον προχώρησε ακόμη παραπέρα — αντικατέστησε τη ράβδο με ανθρακόσκονη. Ο συγγραφέας του πιο διάσημου σχεδίου του μικροφώνου άνθρακα είναι Άντονι Γουάιτ (1890). Αυτά τα μικρόφωνα βρίσκονται ακόμα στα ακουστικά των παλαιών αναλογικών τηλεφώνων.

Το μικρόφωνο άνθρακα έχει σχεδιαστεί και λειτουργεί ως εξής. Η σκόνη άνθρακα (κόκκοι) που περικλείεται σε μια σφραγισμένη κάψουλα βρίσκεται ανάμεσα στις δύο μεταλλικές πλάκες. Μία από τις πλάκες στη μία πλευρά της κάψουλας συνδέεται με τη μεμβράνη.

Όταν ο ήχος δρα στη μεμβράνη, αυτή δονείται, μεταδίδοντας τους κραδασμούς στη σκόνη άνθρακα. Τα σωματίδια της σκόνης δονούνται, αλλάζοντας κατά διαστήματα την περιοχή επαφής μεταξύ τους. Έτσι, αυξομειώνεται και η ηλεκτρική αντίσταση του μικροφώνου, αλλάζοντας το ρεύμα στο κύκλωμα στο οποίο είναι συνδεδεμένο.

Τα πρώτα μικρόφωνα συνδέθηκαν σε σειρά με γαλβανική μπαταρία ως πηγή τάσης.

Όταν ένα τέτοιο μικρόφωνο συνδέεται με την κύρια περιέλιξη του μετασχηματιστή, είναι δυνατό να εξαλειφθεί ο ήχος που μεταβάλλεται χρονικά με τον ήχο που επενεργεί στη μεμβράνη από το δευτερεύον τύλιγμά της. Τάση… Το μικρόφωνο άνθρακα έχει υψηλή ευαισθησία, γεγονός που καθιστά δυνατή σε ορισμένες περιπτώσεις τη χρήση του ακόμη και χωρίς ενισχυτή. Αν και το μικρόφωνο άνθρακα έχει ένα σημαντικό μειονέκτημα — παρουσία σημαντικών μη γραμμικών παραμορφώσεων και θορύβου.

Συμπυκνωτικό μικρόφωνο

Το πυκνωτικό μικρόφωνο (το οποίο βασίζεται στην αρχή της αλλαγής της ηλεκτρικής χωρητικότητας υπό την επίδραση του ήχου) εφευρέθηκε από έναν Αμερικανό μηχανικό Έντουαρντ Βέντε το 1916Η ικανότητα του πυκνωτή να αλλάζει χωρητικότητα ανάλογα με την αλλαγή της απόστασης μεταξύ των πλακών του ήταν ήδη γνωστή και μελετημένη εκείνη την εποχή.

Έτσι, μια από τις πλάκες συμπυκνωτή λειτουργεί εδώ ως μια λεπτή κινητή μεμβράνη ευαίσθητη στον ήχο. Η μεμβράνη αποδεικνύεται ελαφριά και ευαίσθητη λόγω της λεπτότητάς της, αφού για την παραγωγή της χρησιμοποιείται παραδοσιακά λεπτό πλαστικό με το λεπτότερο στρώμα χρυσού ή νικελίου. Κατά συνέπεια, η δεύτερη πλάκα πυκνωτή πρέπει να είναι σταθερή.

Όταν η εναλλασσόμενη ηχητική πίεση δρα σε μια λεπτή πλάκα, την προκαλεί να δονείται—ή να μετακινείται προς, και μετά μακριά από, τη δεύτερη πλάκα πυκνωτή. Σε αυτή την περίπτωση, η ηλεκτρική χωρητικότητα ενός τέτοιου τύπου μεταβλητού πυκνωτή ποικίλλει και αλλάζει. Ως αποτέλεσμα, στο ηλεκτρικό κύκλωμα στο οποίο περιλαμβάνεται αυτός ο πυκνωτής, ηλεκτρική ενέργεια ταλάντωση που επαναλαμβάνει το σχήμα του ηχητικού κύματος που πέφτει στη μεμβράνη.

Το ηλεκτρικό πεδίο λειτουργίας μεταξύ των πλακών δημιουργείται είτε από μια εξωτερική πηγή τάσης (π.χ. μια μπαταρία) είτε με την εφαρμογή αρχικά ενός πολωμένου υλικού ως επικάλυψης για μία από τις πλάκες (το ηλεκτρικό μικρόφωνο είναι ένας τύπος πυκνωτικού μικροφώνου).

Εδώ πρέπει να χρησιμοποιηθεί ένας προενισχυτής, καθώς το σήμα είναι πολύ αδύναμο, καθώς η αλλαγή της χωρητικότητας από τον ήχο αποδεικνύεται εξαιρετικά μικρή, η μεμβράνη δονείται ελάχιστα αισθητά. Όταν το κύκλωμα προενισχυτή αυξάνει το πλάτος του σήματος ήχου, τότε δρομολογείται το ήδη ενισχυμένο σήμα στον ενισχυτή… Εξ ου και το πρώτο πλεονέκτημα των πυκνωτικών μικροφώνων — είναι εξαιρετικά ευαίσθητα ακόμα και σε πολύ υψηλές συχνότητες.

Δυναμικό μικρόφωνο

Η γέννηση ενός δυναμικού μικροφώνου είναι το εύσημα των Γερμανών επιστημόνων Gervin Erlach και Walter Schottky… Το 1924 εισήγαγαν έναν νέο τύπο μικροφώνου, το δυναμικό μικρόφωνο, το οποίο ξεπέρασε κατά πολύ τον προκάτοχό του άνθρακα όσον αφορά τη γραμμικότητα και την απόκριση συχνότητας, και ξεπέρασε το αντίστοιχο του συμπυκνωτή στις αρχικές του ηλεκτρικές παραμέτρους. Τοποθέτησαν μια κυματοειδές κορδέλα από πολύ λεπτό (πάχους περίπου 2 μικρά) φύλλο αλουμινίου σε μαγνητικό πεδίο.

Το 1931, το μοντέλο βελτιώθηκε από Αμερικανούς εφευρέτες. Tøres και Βέντε… Προσέφεραν ένα δυναμικό μικρόφωνο με επαγωγέα… Αυτή η λύση εξακολουθεί να θεωρείται η καλύτερη για στούντιο ηχογράφησης.

Το δυναμικό μικρόφωνο βασίζεται σε φαινόμενο ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής… Η μεμβράνη είναι προσαρτημένη σε ένα λεπτό χάλκινο σύρμα τυλιγμένο γύρω από έναν ελαφρύ πλαστικό σωλήνα σε μόνιμο μαγνητικό πεδίο.

Οι ηχητικές δονήσεις δρουν στη μεμβράνη, η μεμβράνη δονείται, επαναλαμβάνοντας το σχήμα του ηχητικού κύματος, ενώ μεταδίδει τις κινήσεις του στο σύρμα, το σύρμα κινείται σε μαγνητικό πεδίο και (σύμφωνα με το νόμο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής) προκαλείται ηλεκτρικό ρεύμα στο σύρμα, επαναλαμβάνοντας το σχήμα του ήχου, πέφτοντας στη μεμβράνη.

Δεδομένου ότι ένα καλώδιο με πλαστικό στήριγμα είναι μια αρκετά ελαφριά κατασκευή, αποδεικνύεται ότι είναι πολύ κινητό και πολύ ευαίσθητο και η εναλλασσόμενη τάση που προκαλείται από την ηλεκτρομαγνητική επαγωγή είναι σημαντική.

Τα ηλεκτροδυναμικά μικρόφωνα υποδιαιρούνται σε πηνία μικρόφωνα (εξοπλισμένα με διάφραγμα στο δακτυλιοειδές διάκενο του μαγνήτη), μικρόφωνα με κορδέλα (στα οποία το κυματοειδές φύλλο αλουμινίου χρησιμεύει ως υλικό πηνίου), ισοδυναμικά κ.λπ.

Το κλασικό δυναμικό μικρόφωνο είναι αξιόπιστο, έχει μεγάλο εύρος ευαισθησίας πλάτους στο εύρος συχνοτήτων ήχου και είναι φθηνή στην κατασκευή. Ωστόσο, δεν είναι αρκετά ευαίσθητο στις υψηλές συχνότητες και αντιδρά άσχημα σε απότομες αλλαγές στην ηχητική πίεση — αυτά είναι δύο από τα κύρια μειονεκτήματά του.

Ένα δυναμικό μικρόφωνο κορδέλας διαφέρει στο ότι το μαγνητικό πεδίο δημιουργείται από έναν μόνιμο μαγνήτη με κομμάτια πόλου, μεταξύ των οποίων υπάρχει μια λεπτή λωρίδα αλουμινίου, η οποία υποκαθιστά το χάλκινο σύρμα.

Η ταινία έχει υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, αλλά η επαγόμενη τάση είναι μικρή, επομένως πρέπει να προστεθεί στο κύκλωμα ανέβασμα μετασχηματιστή… Ένα χρήσιμο ηχητικό σήμα αφαιρείται σε ένα τέτοιο κύκλωμα από τη δευτερεύουσα περιέλιξη του μετασχηματιστή.

Ένα δυναμικό μικρόφωνο με κορδέλα παρουσιάζει πολύ ομοιόμορφο εύρος συχνοτήτων σε αντίθεση με ένα συμβατικό δυναμικό μικρόφωνο.

Ως υλικό μόνιμου μαγνήτη, τα μικρόφωνα χρησιμοποιούν σκληρά μαγνητικά κράματα με υψηλή υπολειμματική επαγωγή (π.χ. NdFeB). Το σώμα και ο δακτύλιος είναι κατασκευασμένα από μαλακά μαγνητικά κράματα (π.χ. ηλεκτρικός χάλυβας ή περμαλοειδές).

Πιεζοηλεκτρικό μικρόφωνο

Μια νέα λέξη στην τεχνολογία ήχου μίλησαν οι Ρώσοι επιστήμονες Rzhevkin και Yakovlev το 1925. Πρότειναν μια θεμελιωδώς νέα προσέγγιση για τη μετατροπή του ήχου σε τρέχουσες ταλαντώσεις - ένα πιεζοηλεκτρικό μικρόφωνο. Η δράση της ηχητικής πίεσης εκτίθεται σε πιεζοηλεκτρικό κρύσταλλο.

Ο ήχος δρα σε μια μεμβράνη που συνδέεται με μια ράβδο, η οποία με τη σειρά της συνδέεται με ένα πιεζοηλεκτρικό. Ο πιεζοκρύσταλλος παραμορφώνεται υπό τη δράση των κραδασμών της ράβδου και εμφανίζεται μια τάση στους ακροδέκτες του, επαναλαμβάνοντας το σχήμα του προσπίπτοντος ήχου. Αυτή η τάση χρησιμοποιείται ως χρήσιμο σήμα.