Стандартный уровень чувствительности конденсаторных микрофонов с усилителем составляет — 54 дБ (в микрофонах для кинозаписи уровень чувствительности составляет

—30÷—40 дБ). Уровень собственных шумов микрофона составляет 0—10 дБ, т. е. на 10—15 дБ выше, чем у динамических микрофонов.

Комбинированные приемники. Наиболее распространенными конденсаторными микрофонами являются микрофоны, комбинированные из двух несимметричных приемников градиента давления (рис. 5.17).

Рис. 5.17. Капсюль комбинированного конденсаторного микрофона:

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

В таком микрофоне средний электрод 1 массивный, металлический, а два внешних электрода 2 изготовляются из тонкой, горочной полимерной пленки с золотым покрытием. Обе пленки натянуты до возможного предела. В неподвижном электроде сделаны как канавки для демпфирования 3, так и сквозные каналы 4. Кроме того, в корпусе есть небольшое отверстие, затянутое гибкой пленкой и служащее для выравнивания атмосферного давления. Звуковое давление, действующее на внешнюю сторону любой из мембран, передается через каналы в неподвижном электроде к внутренней стороне другой мембраны. Поэтому на каждую из мембран действует звуковое давление с внешней стороны, а через каналы— с внутренней. Между звуковыми давлениями есть сдвиг по фазе, обусловленный разностью хода звуковых волн, которая, в свою очередь, определяется толщиной капсюля микрофона.

В одном варианте поляризующее напряжение подают между неподвижным и одним из подвижных электродов микрофона — мембраной. Вторая мембрана в этом случае выполняет роль только передатчика колебаний извне к внутренней стороне рабочей мембраны. В этом случае микрофон имеет кардиоидную характеристику направленности.

ПЬЕЗОМИКРОФОНЫ

В этом типе микрофонов используют явление пьезоэффекта: при деформации пластинки, вырезанной из кварца, сегнетовой соли и других кристаллов, а также пьезокерамик (титаната бария и др.), происходит ее поляризация, т. е. выделение зарядов на плоскостях. Если пластинку вырезать под определенным углом к оси кристалла, то можно получить поляризацию при деформации пластинки от ее поперечного изгиба. При наклеивании металлических электродов на две противоположные грани пластинки между ними получают разность потенциалов, пропорциональную величине деформации пластинки от поперечного изгиба.

Для получения (небольшого механического сопротивления при изгибе пластинку берут очень тонкой, а для получения небольшого электрического сопротивления длину и ширину пластинки выбирают сравнительно большими. Для уменьшения электростатического (гистерезиса, аналогичного магнитному, склеивают две пластинки пьезоэлемента со встречным расположением электрических осей. В этом случае пьезоэлемент называют биморфным.

Пьезомикрофоны относят к электростатическому типу микрофона, поскольку основные соотношения, управляющие процессами преобразования колебаний, сходны с происходящими в электростатических преобразователях, например, типа электретных.

Разница между ними заключается в том, что пьезоэлектрические преобразователи не требуют электрической поляризации: электрический заряд у них образуется при деформации. У электретных преобразователей имеющийся заряд как бы пульсирует в такт изменению емкости преобразователя, вызываемой деформацией электрета.

Применение микрофонов с кристаллами из сегнетовой соли ограничено температурной зависимостью ее работы. Допустимые пределы температур от —18 до +22⁰. Наиболее пригодны для микрофонов титанат бария и другие керамические материалы, работающие (практически) в любом диапазоне температур. Основными недостатками пьезомикрофонов являются их высокое входное сопротивление, сложность механической системы, низкая чувствительность и большая неравномерность частотной характеристики. Применение их очень ограничено.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ МИКРОФОНЫ

Приемник давления. Принцип действия электромагнитных микрофонов этого типа (рис. 5.18) основан на возникновении ЭДС в катушке 1 при изменении магнитного потока, протекающего через сердечник катушки 8. Изменение магнитного потока получается вследствие изменения воздушного зазора 5 в магнитной цепи, между диафрагмой 3 и полюсным наконечником керна 4. Этот зазор изменяется при колебании диафрагмы и модулирует магнитный поток. Последний создается постоянным магнитом 2, сделанным из высококоэрцитивных материалов, чаще всего сплавов алюминия и никеля, и проходит через сердечник катушки, полюсный наконечник, воздушный зазор и диафрагму. Сердечники и диафрагму изготовляют из мягкого магнитного материала (пермаллой, пермендюр и другие железоникелевые сплавы).

Электрическая характеристика такого микрофона определяется индуктивностью катушек L_K (активное сопротивление невелико, поэтому внутреннее сопротивление его в передаваемом диапазоне частот растет пропорционально частоте. Микрофон обычно нагружают на активное сопротивление, равное модулю его внутреннего сопротивления на частоте 1000 Гц, т. е. R_H= |Z_i|_1000Гц.

Рис. 5.18. Электромагнитный микрофон: а) конструкция капсюля; б) частотная характеристика микрофона МЭМ-60 (сплошная линия) и оптимальная (пунктир) ;

1 — катушка; 2 — кольцевой магнит; 3 — диафрагма; 4 — керн; 5 — зазор; 6 — отверстия в амбушюре; 7 — надмембранный объем; 8 — сердечник; 9— корпус

Приемник градиента давления (см. рис. 5.19 б). Этот тип микрофона предназначен также только для передачи речи по системам связи, оповещения, диспетчерских систем и т. п. Его акустическая, механическая и магнитная системы являются дифференциальными. В капсюле такого микрофона (рис. 5.20а) расположены два кольцевых магнита 1 с полюсными наконечниками 2 и

Рис. 5.20. Дифференциальный электромагнитный микрофон: а) конструкция; б) частотная характеристика микрофона ДЭМШ-1А (сплошная кривая) и оптимальная (пунктир);

1— кольцевые магниты; 2 — магнитопровод; 3 — воздушный зазор; 4—диафрагма; 5 —гофрировка диафрагмы; 6 — канал для подачи звукового давления к диафрагме

диафрагмой 4, между которыми с обеих сторон воздушные зазоры 3. По краям диафрагмы делают кольцевую гофрировку 5, чтобы она могла колебаться как одно целое (т. е. как поршень). На полюсных наконечниках размещены катушки, соединенные между собой последовательно. Звуковые волны проходят через каналы 6. В состоянии покоя диафрагма занимает среднее положение и магнитный поток в лей практически равен нулю (это дает возможность использовать тонкую диафрагму, так как нет опасности ее насыщения). При смещении диафрагмы под действием звукового давления лоток в одной магнитной цепи увеличивается, а в другой — уменьшается, и через диафрагму идет разностный поток. Индуктируемые напряжения в катушках складываются арифметически, так как находятся в фазе.

Капсюль микрофона размещен в пластмассовом корпусе, имеющем отверстия (см. рис. 5.19б), соединяющиеся с каналами 6. Эти отверстия вместе с каналами образуют резонатор Гельмгольца.

Размеры микрофона невелики: диаметр 23 мм, толщина 11 мм. Этот микрофон размещают только в ближней зоне источника звука на расстоянии 2—2,5 см от рта говорящего. Располагать микрофон необходимо сбоку от рабочей оси рта, так как иначе при произнесении взрывных звуков речи из-за завихрений, образующихся около микрофона, возникают значительные нелинейные искажения в виде хрипов. Характеристика акустической чувствительности этого микрофона, полученная с учетом реакции его на градиент давления и близости к источнику звука, имеет равномерный участок до частоты 1000 Гц и небольшой подъем выше этой частоты, т. е. мало отличается от характеристики электромагнитного микрофона приемника давления. Остальные характеристики у приемника градиента давления такие же, как у приемника давления. Резонанс механической системы у него выбирают также на частотах около 2500 Гц и также с помощью акустической коррекции получают равномерную частотную характеристику в диапазоне до 3500 Гц и даже до 5000 Гц. Нижняя граница передаваемого частотного диапазона находится около 250— 300 Гц. Неравномерность частотной характеристики (по отношению к тенденции 6 дБ/окт) не превышает 6 дБ (см. рис. 5.20б). Уровень чувствительности находится около — 60 дБ. Так как этот микрофон имеет высокую шумостойкость , то его используют для работы в шумах высокого уровня (до 110—115 дБ) и называют дифференциальным электромагнитным шумостойким микрофоном (ДЭМШ). Микрофон — приемник градиента давления второго порядка — составлен из двух микрофонов ДЭМШ с дифференциальным включением. Такой же микрофон можно получить, применив один микрофон, снабженный специальной звукоподводящей трубкой, направляющей дополнительную звуковую волну непосредственно на микрофон. Таким образом, на микрофон действует разность давлений двух волн. Такие микрофоны обладают высокой шумоустойчивостью и могут работать в шумах с уровнем до 123 дБ.

УГОЛЬНЫЕ МИКРОФОНЫ

В угольных микрофонах постоянный ток, питающий микрофон, преобразуется в пульсирующий вследствие изменения сопротивления угольного порошка под действием переменного механического давления диафрагмы. Последняя колеблется под действием звукового давления. Переменная составляющая тока, являющаяся продуктом воздействия звукового давления, создает падение напряжения на нагрузке. Отношение этого напряжения к звуковому давлению и будет определять чувствительность микрофона. Чем больше постоянная составляющая тока через микрофон, тем больше чувствительность микрофона. При передаче речи уровень выходного напряжения близок к нулевому (U₀=0,775 В).

В частотном диапазоне 400—2500 Гц угольный микрофон имеет частотную характеристику, близкую к оптимальной для передачи речи. Частотный диапазон лучших угольных микрофонов не превышает 300—3400 Гц. Очень велики у него нелинейные искажения. На низких частотах КНИ доходит до 15—20%. Динамический диапазон не превышает 30 дБ. Снизу он ограничен собственными шумами, генерируемыми переменными контактами между угольными зернами, а сверху—резким изменением сопротивления контактов между зернами, а иногда и разрывом между контактами. В настоящее время угольные микрофоны применяют только в гражданских телефонных аппаратах.

Иногда угольные микрофоны заменяют на электромагнитные с усилителями на интегральных схемах, которые по габаритам, питанию и отдаче мощности такие же, как и угольные, но по качеству звучания превосходят их.

ЛАРИНГОФОНЫ

Ларингофоны, т. е. гортанные микрофоны, предназначены для приема речи через колебания тканей шеи, расположенные около гортани. В этом случае воспринимаются не акустические волны, а механические колебания стенок речевого тракта, вызываемые акустическими колебаниями при произнесении звуков.

Все существующие ларингофоны основаны на инерционном принципе действия. Капсюль ларингофона заключен в закрытый корпус, располагаемый с передней стороны шеи около стенок гортани. Обычно применяют два последовательно включенных ларингофонных капсюля, расположенных по обе стороны гортани.

Электромагнитный ларингофон (рис. 5.21а) вместо диафрагмы имеет плоскую прямоугольную пластинку 1, укрепленную в средней точке на корпусе 2 и прикрепленную к магнитной системе 3 с обоих концов. Магнитная система состоит из двух плоских магнитов 4,

Рис. 5.21. Электромагнитный ларингофон:

а) конструкция; б) частотная характеристика чувствительности ларингофона, приведенная к обычному микрофону, находящемуся на расстоянии 2,5 см от рта (сплошная кривая) и шумостойкости (пунктир);

1— диафрагма (планка); 2—корпус; 3 — место спая планки с магнитами; 4— магниты; 5 — фланец; 6 — керн; 7 — катушка; 8 — воздушный зазор

одного фланца 5, керна 6 и пластинки 1. Между срезом керна и пластинкой имеется небольшой воздушный зазор 8. На керне находится катушка 7. Механическая система представляет собой массу (магнитная цепь и катушка) и гибкость (гибкость пластинки). Сила приложена к этой гибкости. Аналоговая электрическая схема представляет собой контур из индуктивности и емкости, соединенных параллельно (см. табл. 4.3б). Механические колебания стенок гортани приводят в движение корпус ларингофона. По инерции масса колеблется в противоположной фазе, поэтому зазор изменяется в такт механическим колебаниям гортани. Изменение зазора влечет за собой изменение магнитного потока. В результате в катушке индуцируется ЭДС.

Если учесть, что скорость колебаний стенок гортани при речи уменьшается обратно пропорционально квадрату частоты (см. [5], § 5.14), то необходимо, чтобы напряжение, развиваемое ларингофоном при постоянстве скорости колебаний, увеличивалось с повышением частоты по квадратичному закону. Этого можно добиться, если выбрать резонансную частоту механической системы выше передаваемого диапазона частот. В этом случае частотная характеристика чувствительности ларингофона, приведенная к чувствительности эквивалентного микрофона, будет достаточно равномерна. Такой ларингофон должен хорошо передавать все форманты звуков речи. На самом деле высокочастотные звуки передаются плохо, особенно шумовые, так как их уровень в колебаниях гортани сравним с уровнями шумов, возникающих в тканях тела из-за жизнедеятельности организма.

Ларингофоны имеют примерно такую же чувствительность, как и электромагнитные микрофоны. Неравномерность их частотной характеристики невелика. Частотный диапазон 300—3000 Гц. Они обладают высокой шумозащищенностью и могут работать в условиях шумов до 130 дБ (см. рис. 5.21б).

Сравнивая между собой различные типы микрофонов, можно сказать, что для художественного вещания по высшему классу качества звучания пригоден только конденсаторный микрофон. Для передачи речи в системах вещания пригоден динамический микрофон, преимущественно комбинированный с подъемом частотной характеристики в сторону высоких частот на 6 дБ/окт. Для художественного вещания по первому классу качества пригодны микрофоны ленточный и высококачественный динамический. Для второго и третьего классов качества звучания наиболее подходящим будет динамический микрофон, для звукоусиления речи — динамические микрофоны со вторым классом качества. Для систем связи рекомендуются электромагнитные и угольные микрофоны.

Для стереофонических передач применяются специальные микрофоны, состоящие из двух отдельных микрофонов, разнесенных в горизонтальной плоскости на расстояние, равное расстоянию между ушами. Оси микрофонов должны быть параллельными.