Подслушивающих устройств получила отражение в общеизвестном устном народном творчестве. — А у нас в квартире газ. А у вас?

метки: Микрофон, Звуковой, Измерительный, Чувствительность, Характеристика, Направленность, Акустический, Осевой

1. История

Вначале наибольшее распространение получил угольный микрофон Эдисона, об изобретении которого также независимо заявляли Г.Махальский в 1878 и П. М. Голубицкий в 1883. Угольный микрофон до сих пор используется в аппаратах аналоговой телефонии. Действие его основывается на изменении сопротивления между зёрнами угольного порошка при изменении давления на их совокупность.

Конденсаторный микрофон был изобретён американским учёным Э. Венте в 1917 году. В нём звук воздействует на тонкую металлическую мембрану, изменяя расстояние между мембраной и металлическим корпусом. Тем самым образуемый мембраной и корпусом конденсатор меняет ёмкость. Если подвести к пластинам постоянное напряжение, изменение ёмкости вызовет ток через конденсатор, тем самым образуя электрический сигнал во внешней цепи.

Более массовыми стали динамические микрофоны, отличающиеся от угольных гораздо лучшей линейностью характеристик и хорошими частотными свойствами, а от конденсаторных — более приемлемыми электрическими свойствами.

Первым динамическим микрофоном стал изобретённый в 1924 году немецкими учёными Э. Герлахом и В. Шоттки электродинамический микрофон ленточного типа. Они расположили в магнитном поле гофрированную ленточку из очень тонкой (ок. 2 мкм) алюминиевой фольги. Такие микрофоны до сих пор применяются в студийной записи благодаря чрезвычайно высоким частотным характеристикам, однако их чувствительность невелика, выходное сопротивление очень мало (доли Ома), что значительно осложняло проектирование усилителей. Кроме того, достаточная чувствительность достижима только при значительной площади ленточки (а значит, и размерах магнита), в результате такие микрофоны имеют большие размеры и массу по сравнению со всеми остальными типами.

Пьезоэлектрический микрофон, сконструированный советскими учёными С. Н. Ржевкиным и А. И. Яковлевым в 1925 году, имеет в качестве датчика звукового давления пластинку из вещества, обладающего пьезоэлектрическими свойствами. Работа в качестве датчика давления позволила создать первые гидрофоны и записать сверхнизкочастотные звуки, характерные для морских обитателей.

В 1931 году американские учёные Э. Венте и А. Терас изобрели динамический микрофон с катушкой, приклееной к тонкой мембране из полистирола или фольги. В отличие от ленточного, он имел существенно более высокое выходное сопротивление (десятки Ом и сотни кило Ом), мог быть изготовлен в меньших размерах и является обратимым.

Регулятор давления

... хозяйства, промышленности, строительства и т. п. Что касается параметров настройки входного и выходного давления регуляторов, то подобное разделение подпадет под три категории: «высокое - среднее», «среднее ... грузов, причем с увеличением их массы выходное давление газа возрастает. Астатические регуляторы после возмущения приводят регулируемое давление к заданному значению независимо от величины ...

Совершенствование характеристик именно этих микрофонов, в сочетании с совершенствованием звукоусилительной и звукозаписывающей аппаратуры, позволило развиться индустрии звукозаписи. Создание малых по размеру (даже несмотря на массу постоянного магнита, необходимого для работы микрофона), а также чрезвычайно чувствительных и узконаправленных динамических микрофонов в заметной степени изменило представление о приватности и породило ряд изменений в законодательстве (в частности, о применении подслушивающих устройств).

Тогда же разработанные электромагнитные микрофоны, в отличие от электродинамических, имеют закреплённый на мембране постоянный магнит и неподвижную катушку. Благодаря отсутствию жёстких требований к массе катушки (характерном для динамических микрофонов) такие микрофоны делались высокоомными, а также порой имели многоотводные катушки, что делало их более универсальными. Такие микрофоны, наряду с пьезоэлектрическими, позволили создать эффективные слуховые аппараты, а также ларингофоны.

Электретный микрофон, изобретённый японским учёным Ёгути в начале 20-х гг. XX века по принципу действия и конструкции близок к конденсаторному, однако в качестве неподвижной обкладки конденсатора и источника постоянного напряжения выступает пластина из электрета. Долгое время такие микрофоны были относительно дороги, а их очень высокое выходное сопротивление (как и конденсаторных, единицы мегаОм и выше) заставляло применять исключительно ламповые схемы.

Создание полевых транзисторов привело к появлению чрезвычайно эффективных, миниатюрных и лёгких электретных микрофонов, совмещённых с собранным в том же корпусе предусилителем на полевом транзисторе.

2. Устройство микрофона

Принцип работы микрофона заключается в том, что давление звуковых колебаний воздуха, воды или твердого вещества действует на тонкую мембрану микрофона. В свою очередь, колебания мембраны возбуждают электрические колебания; в зависимости от типа микрофона для этого используются явление электромагнитной индукции, изменение ёмкости конденсаторов или пьезоэлектрический эффект.

Свойства акустико-механической системы сильно зависят от того, воздействует ли звуковое давление на одну сторону диафрагмы (микрофон давления) или на обе стороны, а во втором случае от того, симметрично ли это воздействие (микрофон градиента давления) или на одну из сторон диафрагмы действуют колебания, непосредственно возбуждающие её, а на вторую — прошедшие через какое-либо механическое или акустическое сопротивление или систему задержки времени (асимметричный микрофон градиента давления).

Большое влияние на характеристики микрофона оказывает его механоэлектрическая часть.

3. Классификация микрофонов

3.1. Типы микрофонов по принципу действия

• Динамический микрофон
  • Катушечный
  • Ленточный
• Конденсаторный микрофон
  • Электретный микрофон — разновидность конденсаторного микрофона.
• Угольный микрофон
• Пьезомикрофон

Сравнительные характеристики основных типов микрофонов (устаревшие данные из «БСЭ» 1967 год.):

Тип микрофона	диапазон воспроизводимых частот, гц	неравномерность частотной характеристики, дб	осевая чувствительность на частоте 1000 гц, мв×м2/н
Угольный	300—3400	20	1000
Электродинамический катушечного типа	100—10 000 (1 класса) 30—15 000 (высшего класса)	12	0,5 ~1,0
Электродинамический ленточного типа	50—10 000 (1 класса) 70—15 000 (высшего класса)	10	1 1,5
Конденсаторный	30—15 000	5	5
Пьезоэлектрический	100—5 000	15	50
Электромагнитный	300—5 000	20	5

3.2. Функциональные виды микрофонов

• Студийный микрофон
• Измерительный микрофон («искусственное ухо»)
• Микрофонный капсюль для телефонных аппаратов
• Микрофон для применения в радиогарнитурах
• Микрофон для скрытного ношения
• Ларингофон
• Гидрофон

4. Характеристики микрофонов

Микрофоны любого типа оцениваются следующими характеристиками:

1. чувствительность
2. амплитудно-частотная характеристика
3. акустическая характеристика микрофона
4. характеристика направленности
5. уровень собственных шумов микрофона

4.1. Чувствительность

Чувствительность микрофона определяется отношением напряжения на выходе микрофона к звуковому давлению Р ₀ в свободном звуковом поле, т. е. при отсутствии сигнала. При распространении синусоидальной звуковой волны в направлении акустической оси микрофона, это направление называется осевой чувствительностью: M ₀ = U / P ₀ (мВ/н/м²)

Акустическая ось совпадает с осью симметрии микрофона. Если конструкция микрофона не имеет оси симметрии, то направление акустической оси указывается в технических условиях. Чувствительность современных микрофонов составляет от 1-2 (динамические микрофоны) до 10-15 (конденсаторные микрофоны) мВ/Па

4.2. Амплитудно-частотная характеристика

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), или просто частотная характеристика — это зависимость осевой чувствительности от частоты звуковых колебаний. Эта характеристика связана с зависимостью чувствительности микрофона от частоты звуковых колебаний. Неравномерность амплитудно-частотной характеристики измеряют в децибелах как отношение чувствительности микрофона на определенной частоте к чувствительности на средней частоте, например 1000 Гц.

4.3. Акустическая характеристика

Влияние звукового поля микрофона оценивается акустической характеристикой, которая определяется отношением силы, действующей на диафрагму микрофона, и звуковым давлением в свободном звуковом поле: A = F/P, а потому, что чувствительность микрофона M = U/P можно представить как U/P = U/F

• F/P и выразить через А. Тогда получим: M = A
• U / F.

Отношение напряжения на выходе микрофона к силе, действующей на диафрагму U/F, характеризует микрофон как электромеханический преобразователь. Акустическая характеристика определяет характеристику направленности микрофона. По виду акустической характеристики, а следовательно и характеристики направленности, отличают три типа микрофонов, как приемников звука: приемники давления; градиента давления; комбинированые.

4.4. Характеристика направленности

Направленность микрофонов. Представление в полярных координатах

приемники давления
	Ненаправленный
приемники градиента давления
	Двунаправленный «Восьмерка»
комбинированные
	Кардиоид
	Гиперкардиоид

Характеристикой направленности называют зависимость чувствительности микрофона от направления падения звуковой волны по отношению к оси микрофона. Она определяется отношением чувствительности Мα при падении звуковой волны под углом α относительно акустической оси микрофона к его осевой чувствительности:

φ = M _α /M₀

Направленность микрофона означает его возможное расположение относительно источников звука. Если чувствительность не зависит от угла падения звуковой волны, т. е. φ = 1, то микрофон называют ненаправленным, и источники звука могут располагаться вокруг него. А если чувствительность зависит от угла, то источники звука должны располагаться в пространственном угле, в пределах которого чувствительность микрофона мало отличается от осевой чувствительности.

4.4.1. Ненаправленные микрофоны

В микрофонах — приемниках давления сила, действующая на диафрагму, определяется звуковым давлением у поверхности диафрагмы. Звуковое поле может действовать только на одну сторону диафрагмы. Вторая сторона конструктивно защищена. Если размеры микрофона малы по сравнению с длиной звуковой волны, то микрофон не изменяет звукового поля. А если больше, тогда за счет дифракции звуковых волн давление меняется. На низких частотах от 1000 Гц и ниже такие микрофоны не имеют направленного действия.

Ненаправленные микрофоны удобны, например, для записи разговора людей, сидящих за круглым столом.

4.4.2. Микрофоны двустороннего направления

В микрофонах — приемниках градиента давления сила, действующая на движущуюся систему микрофона, определяется разностью звуковых давлений на двух сторонах диафрагмы. То есть, звуковое поле действует на две стороны диафрагмы. Характеристика направленности имеет вид восьмерки.

Двусторонние микрофоны удобны, например, для записи разговора двух собеседников, сидящих друг напротив друга.

4.4.3. Микрофоны одностороннего направления

Односторонняя направленность достигается в микрофонах комбинированного типа. Их диаграммы направленности близки по форме к кардиоиде, поэтому нередко их называют кардиоидными. Модификации микрофонов, имеющих еще меньшую направленность, чем кардиоидные, называют суперкардиоидными и гиперкардиоидными, однако эти разновидности, в отличие от кардиоидного микрофона, также чувствительны к сигналам с противоположной стороны.

Эти микрофоны имеют определенные преимущества в эксплуатации: источник звука располагается с одной стороны микрофона в пределах достаточно широкого пространственного угла, а звуки, распространяющиеся за его пределами микрофон не воспринимает.

4.5. Уровень шумов

Уровень собственных шумов микрофона N _ш определяется отношением эффективного напряжения на выходе микрофона при отсутствии звукового поля U_ш к напряжению U₁ при наличии звукового поля с эффективным давлением в 0,1 н/м²:

N _ш = 20 lg U_ш /U₁ , дБ.

Напряжение U _ш обусловлено главным образом тепловыми шумами в опорах электрической схемы микрофона.

5. Микрофон в искусстве

6. В фольклоре

Тема подслушивающих устройств получила отражение в общеизвестном устном народном творчестве.

— А у нас в квартире газ. А у вас?

— А у нас — микрофон. Вон, вон и вон!

Говорили, что стены американского посольства в Москве сделаны из микробетона — смеси бетона с микрофонами.

• БСЭ. Статья «Микрофон»
• Микрофон // Фотокинотехника: Энциклопедия / Главный редактор Е. А. Иофис. — М .: Советская энциклопедия, 1981.

Данный реферат составлен на основе .