Kako deluje mikrofon, vrste mikrofonov

Za pretvorbo zvočnih vibracij v električni tok se uporabljajo posebne elektroakustične naprave, imenovane mikrofoni. Ime te naprave je povezano s kombinacijo dveh grških besed, ki sta prevedeni kot "majhen" in "glas".

Mikrofon je pretvornik zvočnih nihanj v zraku v električne.

Načelo delovanja mikrofona je, da zvočne vibracije (pravzaprav nihanja zračnega tlaka) vplivajo na občutljivo membrano naprave in že vibracije membrane povzročajo generiranje električnih vibracij, saj je membrana tista, ki je povezana z delom naprave, ki proizvaja električni tok, katere naprava je odvisna od vrste določenega mikrofona.

Na tak ali drugačen način se mikrofoni danes pogosto uporabljajo na različnih področjih znanosti, tehnologije, umetnosti itd. Uporabljajo se v avdio opremi, v mobilnih napravah, uporabljajo se v govorni komunikaciji, snemanju govora, v medicinski diagnostiki in pri ultrazvočnih raziskavah.služijo kot senzorji in na mnogih, mnogih drugih področjih človekovega delovanja preprosto ne gre brez mikrofona v takšni ali drugačni obliki.

Mikrofoni imajo različne zasnove, saj so pri različnih vrstah mikrofonov za generiranje električnih nihanj odgovorni različni fizikalni pojavi, med katerimi so glavni: električni upor, elektromagnetna indukcija, sprememba zmogljivosti in piezoelektrični učinek... Danes lahko glede na princip naprave ločimo tri glavne vrste mikrofonov: dinamični, kondenzatorski in piezoelektrični. Sicer pa so zaenkrat ponekod na voljo tudi karbonski mikrofoni in z njimi bomo začeli naš pregled.

Karbonski mikrofon

Leta 1856 je francoski znanstvenik Du Monsel objavil svojo raziskavo, ki je pokazala, da se že z majhno spremembo kontaktne površine grafitnih elektrod njihov upor proti pretoku električnega toka precej spremeni.

Dvajset let kasneje je ameriški izumitelj Emil Berliner ustvarili prvi karbonski mikrofon na svetu, ki temelji na tem učinku. To se je zgodilo 4. marca 1877.

Delovanje Berlinerjevega mikrofona je temeljilo prav na lastnosti stika ogljikovih palic, da spremeni upornost vezja zaradi spremembe prevodnega kontaktnega območja.

Že maja 1878 je bil razvoj izuma dan David Hughes, ki je med par ogljikovih skodelic vgradil grafitno palico s koničastimi konci in nanjo pritrjeno membrano.

Ko membrana vibrira zaradi delovanja zvoka na njej, se spremeni tudi stična površina palice s skodelicami in s tem tudi upor električnega tokokroga, na katerega je palica priključena. Posledično se je tok v tokokrogu spremenil po vibracijah zvoka.

Thomas Alva Edison šel še dlje - palico je zamenjal s premogovim prahom. Avtor najbolj znane zasnove ogljikovega mikrofona je Anthony White (1890). Prav te mikrofone še vedno najdemo v slušalkah starih analognih telefonov.

Karbonski mikrofon je zasnovan in deluje na naslednji način. Ogljikov prah (granule), zaprt v zaprti kapsuli, se nahaja med obema kovinskima ploščama. Ena od plošč na eni strani kapsule je povezana z membrano.

Ko zvok deluje na membrano, le-ta vibrira in prenaša vibracije na ogljikov prah. Prašni delci vibrirajo in občasno spreminjajo območje medsebojnega stika. Tako niha tudi električni upor mikrofona, ki spreminja tok v tokokrogu, v katerega je priključen.

Prvi mikrofoni so bili povezani zaporedno z galvansko baterijo kot vir napetosti.

Ko je tak mikrofon priključen na primarno navitje transformatorja, je mogoče odstraniti zvok, ki niha v času z zvokom, ki deluje na membrano, iz njegovega sekundarnega navitja Napetost… Karbonski mikrofon ima visoko občutljivost, zaradi česar ga je mogoče v nekaterih primerih uporabljati tudi brez ojačevalca. Čeprav ima karbonski mikrofon pomembno pomanjkljivost - prisotnost pomembnih nelinearnih popačenj in šuma.

Kondenzatorski mikrofon

Kondenzatorski mikrofon (ki temelji na principu spreminjanja električne kapacitete pod vplivom zvoka) je izumil ameriški inženir Edward Wente leta 1916Sposobnost kondenzatorja, da spreminja kapacitivnost glede na spremembo razdalje med ploščama, je bila že takrat dobro poznana in raziskana.

Torej, ena od kondenzatorskih plošč tukaj deluje kot tanka premična membrana, občutljiva na zvok. Membrana se zaradi svoje tankosti izkaže za lahko in občutljivo, saj se za njeno izdelavo tradicionalno uporablja tanka plastika z najtanjšo plastjo zlata ali niklja. V skladu s tem mora biti druga plošča kondenzatorja pritrjena na mestu.

Ko izmenični zvočni tlak deluje na tanko ploščo, povzroči, da le-ta vibrira – ali se premakne proti drugi plošči kondenzatorja in nato stran od nje. V tem primeru se električna zmogljivost takšne vrste spremenljivega kondenzatorja spreminja in spreminja. Kot rezultat, v električnem tokokrogu, v katerem je ta kondenzator, elektrika nihanje, ki ponavlja obliko zvočnega valovanja, ki pada na membrano.

Delujoče električno polje med ploščama se ustvari z zunanjim virom napetosti (npr. baterija) ali s prvotnim nanosom polariziranega materiala kot prevleke za eno od plošč (elektretni mikrofon je vrsta kondenzatorskega mikrofona).

Tukaj je treba uporabiti predojačevalnik, saj je signal zelo šibek, saj se sprememba kapacitivnosti zaradi zvoka izkaže za izjemno majhno, membrana komaj zaznavno vibrira. Ko vezje predojačevalnika poveča amplitudo zvočnega signala, se že ojačen signal usmeri na ojačevalnik… Od tod prva prednost kondenzatorskih mikrofonov — so zelo občutljivi tudi pri zelo visokih frekvencah.

Dinamični mikrofon

Rojstvo dinamičnega mikrofona je zasluga nemških znanstvenikov Gervin Erlach in Walter Schottky… Leta 1924 so predstavili nov tip mikrofona, dinamični mikrofon, ki je daleč prekašal svojega karbonskega predhodnika v smislu linearnosti in frekvenčnega odziva ter presegel kondenzatorskega dvojnika v njegovih prvotnih električnih parametrih. V magnetno polje so postavili valovit trak iz zelo tanke (približno 2 mikrona debele) aluminijaste folije.

Leta 1931 so model izboljšali ameriški izumitelji. Tøres in Vente… Ponudili so dinamični mikrofon z induktorjem… Ta rešitev še vedno velja za najboljšo za snemalne studie.

Dinamični mikrofon temelji na pojav elektromagnetne indukcije… Membrana je pritrjena na tanko bakreno žico, ovito okoli lahke plastične cevi v trajnem magnetnem polju.

Zvočne vibracije delujejo na membrano, membrana vibrira, ponavlja obliko zvočnega valovanja, medtem ko svoje gibe prenaša na žico, ta se giblje v magnetnem polju in (v skladu z zakonom elektromagnetne indukcije) se inducira električni tok v žici, ki ponavlja obliko zvoka, ki pade na membrano.

Ker je žica s plastičnim nosilcem dokaj lahka konstrukcija, se izkaže za zelo mobilno in zelo občutljivo, izmenična napetost, ki jo povzroča elektromagnetna indukcija, pa je pomembna.

Elektrodinamične mikrofone delimo na mikrofone s tuljavo (opremljeni z membrano v obročasti reži magneta), mikrofone s trakom (v katerih kot material tuljave služi valovita aluminijasta folija), izodinamične itd.

Klasični dinamični mikrofon je zanesljiv, ima širok razpon amplitudne občutljivosti v avdiofrekvenčnem območju in je poceni za izdelavo. Vendar pa ni dovolj občutljiv pri visokih frekvencah in se slabo odziva na nenadne spremembe zvočnega tlaka - to sta dve njegovi glavni pomanjkljivosti.

Dinamični trakasti mikrofon se razlikuje po tem, da magnetno polje ustvarja trajni magnet s poloma, med katerima je tanek aluminijast trak, ki je nadomestek za bakreno žico.

Trak ima visoko električno prevodnost, vendar je inducirana napetost majhna, zato ga je treba dodati v vezje pospeševalni transformator… Koristni zvočni signal v takem vezju odstrani sekundarno navitje transformatorja.

Trakasti dinamični mikrofon ima za razliko od običajnega dinamičnega mikrofona zelo enoten frekvenčni razpon.

Kot trajni magnetni material mikrofoni uporabljajo trde magnetne zlitine z visoko preostalo indukcijo (npr. NdFeB). Telo in obroč sta izdelana iz mehkih magnetnih zlitin (npr. elektro jeklo ali permaloid).

Piezoelektrični mikrofon

Novo besedo v avdiotehnologiji sta leta 1925 spregovorila ruska znanstvenika Rževkin in Jakovljev. Predlagala sta bistveno nov pristop k pretvorbi zvoka v tokovna nihanja — piezoelektrični mikrofon. Delovanje zvočnega tlaka je izpostavljeno piezoelektrični kristal.

Zvok deluje na membrano, ki je povezana s palico, ta pa je pritrjena na piezoelektrik. Piezo kristal se deformira pod vplivom vibracij palice in na njegovih sponkah se pojavi napetost, ki ponavlja obliko vpadnega zvoka. Ta napetost se uporablja kot koristen signal.