Mikrofony

Mikrofony slouží k přeměně akustické energie (zvuky)
na energii elektrickou, s kterou můžeme už něco dělat. Jako první člen
elektroakustického řetězce mají podstatný vliv na výslednou kvalitu signálu.

Ze zdroje se zvuk šíří jen pružným látkovým prostředím
libovolného skupenství (takže se nešíří vakuem) v podobě kulových
vlnoploch. Nejčastější prostředí je vzduch, v němž se zvuk šíří jako
podélné postupné vlnění. Nejdůležitější charakteristikou prostředí z
hlediska šíření zvuku je rychlost zvuku v daném prostředí. Rychlost zvuku
ve vzduchu závisí na složení vzduchu (nečistoty, vlhkost), ale nejvíce na
jeho teplotě (s teplotou se mnění hustota prostředí). Ve vzduchu o teplotě
t v Celsiových stupních má zvuk rychlost

Rychlost zvuku není ovlivněna tlakem vzduchu a je stejná pro zvuková vlnění
všech frekvencí. V kapalinách a pevných látkách je rychlost zvuku větší
než ve vzduchu (popř. jiných plynech). Přibližné hodnoty rychlosti zvuku
pro některé látky jsou uvedeny v tabulce:

Látka	Rychlost zvuku [m/s]
Vzduch (13,4 °C) Voda (25 °C) Rtuť Beton Led Ocel Sklo	340 1 500 1 400 1 700 3 200 5 000 5 200

Zde je uvedena tabulka intenzit zvuku z různých zdrojů:

Zvuk	Hladina intenzity zvuku [dB]
Zvukový práh	0
Šelest listí	10
Šum listí	20
Pouliční hluk v tichém předměstí	30
Tlumený rozhovor	40
Normální pouliční hluk	50
Hlasitý rozhovor	60
Hluk na silně frekventovaných ulicích velkoměsta	70
Hluk v tunelech podzemních železnic	80
Hluk motorových vozidel	90
Maximální hluk motorky	100
Hlasité obráběcí stroje	110
Startující letadlo ve vzdálenosti 1 m	120
Hluk působící bolest	130

V elektroakustice popdobně jako i v jiných oborech se
velice často používá pojmu decibel (dB). Decibel je bezrozměrná poměrová
veličina a je definován takto:

dB = 20log U1/U0

Vztažná hodnota U0 může být
libovolná nebo také pevně stanovená. Například pro napětí se často používá
vztažná hodnota 1 uV (dB/1uV) nebo 0,775 V (označuje se dBu),
pro výkon 1mW (označuje se dBm) a pro hladinu akustického tlaku 20 uPa.
Znaménko + před hodnotou v becibelech znamená zesílení a znaménko –
zeslabení (útlum).

Často používané hodnoty :

-3dB +3dB -6dB +6dB -20dB +20dB -40dB +40dB -60dB +60dB

0,707 násobek 1,41 násobek polovina dvojnásobek desetina desetinásobek setina stonásobek tisícina tisícinásobek

Pro výkonové veličiny je decibel definován takto :

dB = 10log P1/P0

Pokles o 3 dB tedy znamená poloviční výkon.

Princip činnosti mikrofonu je jednoduchý. Akustický
signál, který se projevuje změnami akustického tlaku, rozechvívá mechanický
systém (membránu), jehož pohyb je snímán elektromechanickým měničem.
Pokud akustický tlak působí na jednu stranu membrány, mluvíme o tlakových
mikrofonech. v tomto případě amplituda membrány nezávisí na směru ani na
vzdálenosti zdroje, ale pouze na akustickém tlaku. Takový mikrofon je všesměrový,
má kulovou směrovou charakteristiku.

Jiný případ nastane, přivede-li se akustický signál
vhodným způsobem i na zadní stranu membrány. Potom výchylka membrány nezávisí
na velikosti akustického tlaku. ale na rozdílu akustického tlaku před a za
membránou. Takovým mikrofonům se říká gradientní. Velikost výstupního
signálu gradientního mikrofonu je závislá na poloměru zakřivení akustické
vlnoplochy. Čím větší zakřivení vlnoplochy, menší poloměr, bližší
akustický zdroj, tím větší výstupní signál. Pro vzdálený zdroj, u kterého
můžeme počítat s rovinnou vlnoplochou (nekonečně velký poloměr zakřivení)
je výstuponínapětí nulové. Gradientní mikrofony se používají pro snímání
akustického signálu ve studiích a pro přenos řeči z hlučného prostředí.

Směrová charakteristika je závislost citlivosti
mikrofonu na úhlu, který svírá akustická osa mikrofonu s osou akustickáho
zdroje. Jak již bylo řečeno, tlakové mikrofony jsou všesměrové – mají
kulovou směrovou charakteristiku. Gradientní mikrofony jsou směrové. Podle
konstrukce mohou mít osmičkovou, ledvinovou, kuželovou a asuperledvinovou
charakteristiku. Směrová charakteristika může být závislá na kmitočtu.

Mikrofony můžeme rozdělovat podle různých kritérií.
Mapř. podle druhu akustického přijímače (tlakové, gradientní, vlnové)
nebo podle směrové charakteristiky, či druhu mechanického systému (membránové,
bezmembránové) atd.

Dále se mohou mikrofony dělit podle druhu elektromechanického měniče:

• uhlíkové
• elektrodynamické
• elektromagnetické
• elektrostatické
• elektretové
• piezoelektrické

Uhlíkové mikrofony pracují na principu změny přechodového
odporu uhlíkových zrnek, jimiž prochází stejnosměrný napájecí proud.

Podstatné části dnešních mikrofonů jsou:

membrána M

pevná uhlíková elektroda E

uhlíková zrnka (prach) p

plstěný kroužek PK

Plstěný kroužek s pevnou uhlíkovou elktrodou tvoří tzv. uhlíkovou
komoru vyplněnou z 85% uhlíkovými zrnky. Stejnosměrný proud se přivádí
jedním pólem k pevné elektrodě a druhým k  membráně. Zvukové vlny,
dopadající na plochu membrány ji rozkmitají tak že stlačuje uhlíkový
prach, jehož přechodový odpor se mění v rytmu kmitání membrány. Tak se
moduluje klidový stejnosměrný napájecí proud. Střídavá složka napájecího
proudu je vlastní hovorový proud.


Nevýhodou uhlíkového mikrofonu je jeho velké zkreslení a
nestabilní přenosové vlastnosti.Výhodný je tím, že umožňuje přenášet
velký výkon (až 1 mW) na poměrně velké vzdlenosti bez zařazení zesilovačů,
má jednoduchou konstrukci a tím i nízkou cenu.

S elektrodynamickými mikrofony se v praxi setkáváme
velmi často. Vyznačují se širokým kmitočtovým pásmem, malým zkreslením,
nízkým šumem a robusní konstrukcí. Elektrodynamický mikrofon může být s
membránou anebo bez ní (páskový). Je-li membrána použita, je s ní spojena
kmitací cívka, která se v rytmu změn akustického tlaku pohybuje v magnetickém
poli permanentního magnetu.

Pohybem cívky v magnetickém poli se v ní indukuje napětí
úměrné rychlosti změny akustického tlaku.U páskových mikrofonů je membrána
s cívkou nahrazena příčně zvlněnou hliníkovou fólií ve tvaru pásku. Pásek
je rozechvíván změnami akustického tlaku a přímo v něm se indukuje nízkofrekvenční
elektrický signál.

a) Principiální uspořádání elektrodynamického mikrofonu s membránou a cívkou b) Konstrukce gradientního elektrodynamického mikrofonu

Páskový mikrofon

Elektrodynamické mikrofony mohou být tlakové nebo
gradientní. Snímací prvek zůstává stejný, mění se jen mechanická
konstrukce. U gradientních mikrofonů se akustický tlak přivádí i na zadní
stranu membrány (resp. pásku).


Dynamické mikrofony jsou nízkoimpedanční se jmenovitou
impedancí 200 Ohmu. Jejich citlivost bývá kolem 1,5 mV/Pa.
Kvalitní výrobky uspokojivě přenášejí signály v rozsahu 30 Hz-15kHz,
při zkreslení menším než 0,5%.

Elektromagnetické mikrofony pracují na stejném fyzikálním principu jako
elektrodynamické mikrofony. U těchto mikrofonů je snímací cívka pevná.
Není tedy spojena s membránou. Pohyb chvějky, která je s membránou spojena,
případně přímo membrány, mění magnetický tok cívkou a tím v ní
indukuje nízkofrekvenční signál. Elektromagnetické mikrofony se vyznačují
malými rozměry a nízkou cenou, ela také omezeným kmitočtovým rozsahem
(300-3400 Hz). Jsou vhodné jen pro přenos řeči.

Elektrostatické mikrofony, často nesprávně označované jako kondenzátorové,
jsou složeny ze dvou od sebe izolovaných elektrod. Před pevnou elektrodou je
v malé vzdálenosti (20-30 um) umístěna membrána
zkovové nebo metalizované fólie. Na takto vzniklý kondenzátor o kapacitě
30-100pF je připojeno stejnosměrné polarizované napětí o velikosti 30-200
V. Velikost kapacity takto vzniklého kondenzátoru můžeme určit z rovnice:

C = e . S/d

kde e je permitivita vzduchu, S je plocha elektrod
a d jejich vzdálenost. Náboj tohoto kondenzátoru je:

Q = C . U

kde U je polarizační napětí. Změny akustického tlaku rozechvívají
membránu, mění se vzdálenost d a tím kapacita kondenzátoru. Zajistíme-li,
aby se náboj při změně kapacity kondenzátoru nemohl rychle vyrovnat, potom
z druhé rovnice vyplývá, že při zmenšení kapacity se musí zvětšit napětí
kondenzátoru (Q uvažujeme konstantní). Požadavek pomalého vyrovnání náboje
při změně kapacity zajistíme rezistorem R, který zvýší cnitřní odpor
zdroje polarizačního napětí. Jeho velikost volíme s ohledem na nejnižší
požadovaný přenášený kmitočet takto:

R >= 1/2 .p.fd.C

kde fd je nejnižší přenášený kmitočet.

Uspořádání elektrostatického mikrofonu

Na jiném principu snímání změny kapacity pracuje tzv.
vysokofrekvenční elektrostatický mikrofon. Proměnná kapacita je zapojena v
obvodu vysokofrekvenčního oscilátoru. Působením zvuku dochází k frekvenční
modulaci oscilátoru. Působením zvuku dochází k frekvenční modulaci oscilátoru.
Demodulací pak získáme nízkofrekvenční signál.

Pevná elektroda je opatřena otvory, aby se zmenšila závislost
akustické impedance vzduchové mezery na výchylce membrány.

Elektrostatické mikrofony se vyznačují velmi vyricnanou
kmitočtovou charakteristikou, vysokou citlivostí, velmi malým zkreslením a i
vysokou stabilitou vlastností. Proto se používají ve studiové technice a
pro měřící účely.

Kromě elektrostatických mikrofonů s polarizačním napětím
se používají i elektrostatické mikrofony elektretové. U těchto mikrofonů
je jedna elektroda opatřena vrstvou elektretu. Elektret je dielektrický materiál
nesoucí permanentní elektrický náboj. Není tedy potřebný zdroj polarizačního
napětí.

Tyto mikrofony využívají piezoelektrického jevu. U některých
látek vzniká při mechanickém namáhání tlakem nebo ohybem elektrický náboj,
který se snímá elektrodami. Piezoelektrické mikrofony mají poměrně velkou
impedanci ( vnitřní kapacita kolem 1 nF) a citlevost 1-3 mV/Pa.