Виды и характеристики микрофонов

ВИДЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ МИКРОФОНОВ

Характеристики микрофонов

Наиболее важными характеристиками микрофона, являются его принцип работы, амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и направленность. Второстепенные характеристики -электрические параметры и конструктивное исполнение.

Принцип работы

Это, в первую очередь, тип преобразователя, находящегося внутри микрофона, то, как микрофон воспринимает звук и преобразует его в электрический сигнал. Преобразователь - это устройство, переводящее энергию из одной формы в другую, в нашем случае - акустическую энергию в электрическую. Принцип работы определяет ключевые возможности микрофона. Самые распространенные типы микрофона - динамический и конденсаторный.

Динамические микрофоны

Динамические микрофоны включают в себя сборку из диафрагмы, голосовой катушки и магнита, которые образуют миниатюрный электрогенератор со звуковым приводом.
Динамический микрофон имеет относительно простую и соответственно экономичную и надежную конструкцию. Он может обеспечить отличное качество звука практически во всех областях применения. В частности, он может иметь дело с чрезвычайно громкими звуками. Вдобавок, динамические микрофоны относительно устойчивы к перепадам температуры и влажности. Динамические микрофоны используются в основных задачах звукоусиления чаще всего.

С практической точки зрения, если микрофон будет использоваться в таких суровых условиях, как в рок-клубе или на открытом воздухе, хорошим выбором будут динамические микрофоны.

Конденсаторные микрофоны

Конденсаторные микрофоны имеют в своей основе сборку из электрически заряженной диафрагмы и неподвижной пластины, которые образуют чувствительный к звуку конденсатор.

Все конденсаторные микрофоны содержат в себе активные контуры для согласования выхода элемента с типичными микрофонными входами. Это требует подачи питания на микрофон: либо при помощи батарей, либо при помощи фантомного питания (метод подачи питания на микрофон непосредственно по микрофонному кабелю).

Конденсаторные микрофоны имеют два потенциально ограничивающих фактора: во-первых, электроника добавляет немного шума; во-вторых, есть предел громкости сигнала, который может обработать электроника. По этой причине спецификации на конденсаторные микрофоны содержат параметры шума и максимальную громкость звука. Хорошие модели, однако, имеют очень низкий уровень шума и могут справиться с широким динамическим диапазоном.

Конденсаторные микрофоны более сложны, чем динамические, и обычно несколько дороже. Также на конденсаторы могут существенно повлиять перепады температуры и влажности, что может привести к повышению шума или временной негодности. Однако, в конденсаторных микрофонах можно добиться большей чувствительности, и более мягкого, более натурального звука, особенно на высоких частотах.

Полагая АЧХ и расширенный частотный диапазон легче всего достижимы в конденсаторном микрофоне. Вдобавок, конденсаторные микрофоны могут быть сделаны очень маленькими без ущерба для характеристик.
В более благоприятной среде, например в концертном зале или театре, для большинства источников звука предпочтительнее использовать конденсаторные микрофоны, особенно, когда требуется высочайшее качество звука.

Электретные микрофоны

Принцип действия электретных микрофонов аналогичен принципу действия конденсаторных, с тем отличием, что для их работы не требуется внешний источник питания. Мембрана таких микрофонов получает электрический заряд в процессе производства, и для их питания достаточно небольшого напряжения (обычно около 1,5 Вольта), которое обеспечивается установленной в микрофоне батареей.
По сравнению с конденсаторными, мембрана электретных микрофонов значительно толще, поэтому их чувствительность и частотные характеристики несколько хуже. Появившиеся недавно обратно-электретные микрофоны несколько компенсируют этот недостаток.

Фантомное питание

Фантомное питание - это постоянный ток (обычно 12-48 вольт), используемый для питания электроники конденсаторного микрофона. Это напряжение подается по микрофонному кабелю от микшера с источником фантомного питания или от другого внешнего устройства.

Источники фантомного питания имеют ограничители по току, которые предотвращают повреждение динамического микрофона в случае короткого замыкания или неправильной распайки. Обычно балансные динамические микрофоны могут быть подключены ко входам с фантомным питанием без каких-либо проблем.

Переходный отклик

Переходный отклик характеризует способность микрофона откликаться на быстро меняющуюся звуковую волну.

Для того, чтобы микрофон трансформировал звуковую энергию в электрическую, звуковая волна должна физически перемещать диафрагму микрофона. Тяжелой динамической диафрагме требуется больше времени, чтобы начать двигаться, чем легкой конденсаторной диафрагме. И точно также динамической диафрагме, по сравнению с конденсаторной диафрагмой, требуется больше времени, чтобы прекратить движение. Переходный отклик динамических микрофонов не так хорош , как у конденсаторных.

Динамическому микрофону требуется почти вдвое больше времени, чтобы отреагировать на звук. Ему также требуется больше времени, чтобы перестать колебаться. Поскольку конденсаторные микрофоны в целом имеют лучший переходный отклик, чем динамические, они лучше подходят для инструментов, имеющих резкую атаку или расширенный высокочастотный спектр в звуке, например, тарелок. Переходный отклик определяет более ясный, отчетливый звук конденсаторных микрофонов, и более мягкий, округлый звук динамических микрофонов.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗВУКА

Звуковой сигналможно представить, как совокупность различных синусоидальных составляющих. Каждая составляющая характеризуется рядом параметров.

Высота звука- определяется частотой звуковой волны (или, периодом волны). Чем выше частота, тем выше звучание:

увеличить слайд в новом окне >>>

Высота звука измеряется в герцах (Гц, Hz) или килогерцах (КГц, KHz). 1 Гц = 1/С. То есть колебание в 1 Гц соответствует волне с периодом в 1 секунду.

Громкость звука- определяется амплитудой сигнала. Чем выше амплитуда звуковой волны, тем громче сигнал.

увеличить слайд в новом окне >>>

Громкость звука измеряется децибеллах и обозначается дБ. Единица измерения, названная в честь Александра Грэма Белла. Приставка деци применяется для обозначения единиц в долях, равных 1/10. Соответственно, децибел — это 1/10 Бела. Белл определяется, как логарифм отношения электрических, акустических или других мощностей:

Бел = log(P1/P0)
дБ = 10 х log(P1/P0)

Чувствительность человеческого уха к громкости звука носит логарифмической характер, поэтому их мощность, выраженная в децибелах, точнее отражает наше восприятие звуков.

Покажем чему равно в децибелах отношение мощностей 2 Вти 1 Вт:

дБ = 10 х log(P1/P0) = 10 х log(2/1) = 10 х log 2 = 3.01 = 3

Увеличение мощности в 2 разасоответствет увеличению на 3 дБ.

Покажем чему равно в децибелах отношение мощностей 100 Вти 10 Вт:

дБ = 10 x log(P1/P0) = 10 x log(100/10) = 10 x log 10 = 10 x 1 = 10

Увеличение или уменьшение мощности в 10 разсоответствует 10 дБ.

Оратите внимание, что шкала дБ - относительная.

Громкость— это уровень мощности, которая пропорциональна амплитуде звукового сигнала. Громкость определяют в дБm — относительно стандартного значения 1 мВт. Тогда шкала приобртает абсолютное значение.

Субъектино ухо воспринимает не мощность, а звуковое давление на барабанную перепонку. Чем же отличается уровень звука от мощности? Мощность звука — это совокупная звуковая энергия, которую излучает источник звука, например громкоговоритель. Звуковое давление — это звуковая энергия, которая попадает на единицу площади, удаленную от источника звука на расстояние 1м.

Для характеристики уровней звукового давления используется уравнение

дБ SPL = 20 x log(P1/P0)

где P0 и P1 звуковое давление.

Двухкратное увеличениезвукового давления соответствует 6 дБ, а десятикратное— 20 дБ.

Звуки, которые различаются на 3 дБ, ухом воспринимаются одинаковыми по громкости!

Звук, давление которого на 10 дБвыше, для уха будут звучать в два раза громче.

Следует отметить, что громкость — субъективная характеристика, которая зависит от частоты. Лучше всего ухо воспринимает звук в диапазоне от 1 до 4 кГц. За 0 дБ принят уровень звукового давления, соответствующий порогу слышимости здорового молодого человека в этом диапазоне частот.

Уровни звукового давления, характерные для различных источников

Пистолетный выстрел на расстоянии нескольких шагов - 140 дБ.

Болевой порог - 130 дБ.
Реактивный двигатель (в салоне самолета) - 80 дБ.
Негромкий разговор - 70 дБ.
Шорох в тихой комнате - 40 дБ.
Шумы в студии звукозаписи - 30 дБ.
Порог слышимости - 0 дБ.

Отметим, что ухо человека воспринимает одинаковую громкость на разных частотах, как звуки разной громкости.

ЗВУКИ ОДИНАКОВОЙ МОЩНОСТИ, НА РАЗНЫХ ЧАСТОТ:

Увеличить слай в новом окне>>>

Для компенсации этого явления используют зазличные фильтры (тонкомпенсация), которые уменшают амплитуду средних частот и повышают амплитуду крайних частот.

Допустимые нормы шума

По санитарным нормам, допустимым уровнем шума, который не наносит вреда слуху даже при длительном воздействии на слуховой аппарат, принято считать: 55 децибел (дБ) в дневное время и 40 децибел (дБ) ночью. Такие величины нормальны для нашего уха, но, к сожалению, они очень часто нарушаются, особенно в пределах больших городов.

Уровень шума в децибелах (дБ)

Действительно, часто нормальный уровень шума бывает существенно превышен. Вот примеры лишь некоторых звуков, с которыми мы сталкиваемся в нашей жизни и то, сколько децибел (дБ) в действительности эти звуки содержат:

§ Разговорная речь колеблется от 45 децибел (дБ) до 60 децибел (дБ), в зависимости от громкости голоса;

§ Автомобильный гудок достигает 120 децибел (дБ);

§ Шум интенсивного уличного движения – до 80 децибел (дБ);

§ Детский плач – 80 децибел (дБ);

§ Шум работы разнообразного офисного оборудования, пылесоса – 80 децибел (дБ);

§ Шум работающего мотоцикла, поезда — 90 децибел (дБ);

§ Звук танцевальной музыки в ночном клубе — 110 децибел (дБ);

§ Шум пролетающего самолета – 140 децибел (дБ);

§ Шум ремонтных работ – до 100 децибел (дБ);

§ Приготовление пищи на плите – 40 децибел (дБ);

§ Шум леса от 10 до 24 децибел (дБ);

§ Смертельный для человека уровень шума, звук взрыва — 200 децибел (дБ).

Как можно видеть, большинство из шумов, с которыми мы сталкиваемся буквально каждый день, существенно превышают допустимый порог нормы. И это лишь естественные шумы, с которыми мы не можем ничего поделать. А ведь есть еще шум от телевизора, громкой музыки, которым мы сами подвергаем свой слуховой аппарат. И собственноручно наносим нашему слуху огромный вред.

Направленность

Направленность - Чувствительность микрофона к звуку в зависимости от направления или угла, с которого приходит звук. С точки зрения направленности существуют три основных типа микрофонов - всенаправленные, однонаправленные и двунаправленные.

Всенаправленный микрофон

Всенаправленный микрофон имеет одинаковый выходной уровень при любом направлении. Он покрывает все 360 градусов. Всенаправленный микрофон улавливает максимальное количество пространственных звуков. При концертном применении всенаправленный микрофон должен быть расположен очень близко к источнику звука, чтобы был правильный баланс между непосредственным и пространственным звуком. Вдобавок, мы не можем отвернуть всенаправленный микрофон в сторону от ненужных источников звука, таких как порталы, что может вызвать заводку (эффект обратной связи).

Всенаправленные микрофоны:
- зависимость от акустики помещения: не отсекают эхо;
- не обеспечивают акустическую изоляцию, разве что только при малом расстоянии от источника звука до микрофона;
- низкая чувствительность к звукам дыхания;
- практически отсутствует «эффект близости»;
- расширенные низкие частоты у конденсаторных микрофонов, что очень полезно при работе с органом, бас барабаном и симфоническим оркестром.

Однонаправленный микрофон

Однонаправленный микрофон наиболее чувствителен к звуку, приходящему с одного направления, и менее чувствителен к остальным. Типичной для таких микрофонов являетсякардиоидная характеристика (диаграмма имеем форму сердца). При ней наибольшая чувствительность достигается на направлении вдоль оси микрофона (0 градусов), а наименьшая - в противоположном (180 градусов отклонения). Эффективный угол работы кардиоидного микрофона составляет 130 градусов, то есть по 65 градусов в любую сторону от оси перед микрофоном. Таким образом кардиоидный микрофон улавливает около трети пространственных звуков по сравнению со всенаправленным. Однонаправленные микрофоны отделяют нужный прямой звук от ненужных боковых и пространственных.
Применение кардиоидного микрофона часто необходимо. Например, в случае подзвучивания гитарного усилителя, стоящего рядом с ударной установкой - это единственный способ уменьшить проникновение звука ударных в канал гитары.

Однонаправленные микрофоны могут иметь различные варианты кардиоидной диаграммы. Два из них носят названия суперкардиоиды и гиперкардиоиды.

Обе характеристики имеют меньшие, чем кардиоида рабочие углы (115 вслучае суперкардиоиды и 105 в случае гиперкардиоиды) а также сильнее отсекают пространственные звуки. В то время, как кардиоида имеет наименьшую чувствительность сзади (180 градусов отклонения), у кардиоиды направление наименьшей чувствительности составляет 126 градусов, а у гиперкардиоиды - 100. При правильной установке они обеспечивают более фокусированный съем звука, и меньше количество пространственного шума, чем у кардиоиды. Однако, они имеют зону улавливания непосредственно сзади (rear lobe).

У суперкардиоиды подавление сзади составляет -12дБ, а у гиперкардиоиды - всего -6дБ. Хорошая кардиоида имеет подавление сзади по меньшей мере -15-20 дБ.

Однонаправленные микрофоны могут не только отделить звучание одного инструмента от другого, но может также уменьшить обратную связь, допуская тем самым большее усиление. С этой точки зрения однонаправленные микрофоны предпочтительнее всенаправленных практически во всех задачах усиления звука.

Микрофоны с суперкардиоидной диаграммой направленности:
- имеют максимальную разницу между передней и задней областями чувствительности среди подобных микрофонов;
- обеспечивают большую изоляцию, чем микрофоны с кардиоидной направленностью;
- менее чувствительны к акустике помещения, чем микрофоны с кардиоидной направленностью.

Микрофоны с гиперкардиоидной диаграммой направленности:
- обеспечивают максимальную среди подобных им микрофонов нечувствительность к боковым звукам;
- обеспечивают максимальную акустическую изоляцию: защищают от неблагоприятных эффектов помещения, feedback (эффект обратной свзи) и посторонних шумов;
- препятствуют утечке сигнала.

Двунаправленные микрофоны

Двунаправленный микрофон («восьмёрка») имеет наибольшую чувствительность как спереди (0 градусов), так и сзади (180 градусов). Наименьший уровень он имеет на сбоку (90 градусов). Рабочий угол составляет только 90 градусов, как спереди, так и сзади. Уровень пространственного шума такой же, как и у кардиоиды. Этот микрофон используется для улавливания звука от двух противоположных источников, например, вокального дуэта. Несмотря на то, что такие микрофоны редко применяются в звукоусилении, их используют в некоторых стереотехнологиях.
Микрофоны с направленностью «восьмёрка»:
- используются, в частности, для интервью, когда собеседники сидят напротив друг друга или для записи и озвучивания дуэтов;
- обеспечивают максимальную изоляцию при overhead-записи;
- применяются для стереозаписи по методу Блюмляйна (Blumlein), когда используются два скрещенных микрофона-«восьмёрки».

Эффект приближения

У однонаправленных микрофонов отдача в низах усиливается по мере того, как микрофон приближается (в пределах полуметра) к источнику звука. При установке вплотную (мене 30 см) следует помнить об эффекте приближения и убрать низы, чтобы получить более натуральный звук. Вы можете

(1) убрать низы на микшере,

(2) использовать микрофон , минимизирующий эффект,

(3) использовать микрофон с кнопкой среза басов или

(4) использовать всенаправленный микрофон (не проявляющий такого эффекта).

Подавления ненужных звуков

При усилении звука, микрофоны часто могут находиться в местах, где они могут принять звук от посторонних источников. Например, микрофон установленный у барабана, может улавливать звук от соседних барабанов, вокальный микрофон может улавливать все шумы на сцене или вокальные микрофоны могут улавливать звук мониторов. В каждом случае мы имеем один нужный источник звука и один или более ненужных. Выбор правильной характеристики направленности может помочь в максимальном улавливании нужного звука и минимальном – ненужных.

Несмотря на то, что для лучшего улавливания обычно очевидным вариантом является осевое направление, направление минимизирующее улавливание посторонних звуков может зависеть от типа микрофона. В частности, кардиоида менее чувствительна сзади (отклонение 180 градусов), а суперкардиоида и гиперкардиоида улавливают на этом направлении звук. У них наименьшая чувствительность приходится на отклонение в 125 и 110 градусов соответственно. Например, ставя монитор неподалеку от вокального микрофона мы должны нацелить его точно сзади, чтобы повысить предел возникновения заводок. А в случае суперкардиоиды, для наилучшего результата монитор должен смотреть немного вбок (отклонение от обратной оси - 55 градусов).

Соответственно используя микрофоны супер- и гиперкардиоидного типов мы должны учитывать их прием сзади и ориентировать их так, чтобы избежать улавливания звука от других барабанов и тарелок.

Электрические характеристики

Электрические характеристики микрофона обычно включают в себя выходной уровень, импеданс и тип разъема. Выходной уровень или чувствительность - это уровень электрического сигнала, порождаемого микрофоном при заданном уровне звукового сигнала. В целом, конденсаторные микрофоны имеют большую чувствительность, чем динамические. Для слабых или удаленных источников звука предпочтительнее использовать микрофоны с высокой чувствительностью, в то время как при подзвучивании громких источников или с близкого расстояния лучше всего при моделью с низкой чувствительностью.

Выходной импеданс микрофона примерно равен его электрическому сопротивлению: 150-600 Ом - низкий импеданс, 10000 или больше - высокий. С практической точки зрения низкий импеданс означает, что микрофон может работать с кабелем длиной 300 или более метров без потерь в качестве, в то время как модели с высоким импедансом обнаруживают заметные потери в высоких частотах при длинах кабеля более 6 м.

Тип разъема

Наконец, тип разъема в микрофоне может быть балансным или небалансным. Балансный выход передает сигнал по двум проводника (плюс экран). Сигналы, идущие по каждому из проводников имеют одинаковый уровень, но разную полярность. Балансный микрофонный вход усиливает только разницу между сигналами, и игнорирует ту часть сигнала, что одинакова у обоих проводников. Небалансный микрофонный тракт передает сигнал по одному проводнику (плюс экран), а небалансный микрофонный вход усиливает все сигналы в проводнике. Балансные низкоимпедансные микрофоны рекомендуются для использования практически во всех задачах подзвучивания.