Микрофон , в просторечии называемый микрофоном ( / m aɪ k / ), [ 1 ] представляет собой преобразователь , преобразующий звук в электрический сигнал . Микрофоны используются во многих приложениях, таких как телефоны , слуховые аппараты , системы громкой связи для концертных залов и общественных мероприятий, кинопроизводство , живая и записанная аудиотехника , звукозапись , двусторонние радиостанции , мегафоны , а также радио- и телевещание . Они также используются в компьютерах и других электронных устройствах, таких как мобильные телефоны , для записи звуков, распознавания речи , VoIP и других целях, например, в ультразвуковых датчиках или датчиках детонации .
Сегодня используется несколько типов микрофонов, в которых используются разные методы преобразования изменений давления воздуха в звуковую волну в электрический сигнал. Наиболее распространенными являются динамические микрофоны , в которых используется катушка с проводом, подвешенная в магнитном поле; конденсаторный микрофон , в котором вибрирующая диафрагма используется в качестве пластины конденсатора ; и контактный микрофон , в котором используется кристалл пьезоэлектрического материала. Микрофоны обычно необходимо подключить к предусилителю , прежде чем сигнал можно будет записать или воспроизвести .
Чтобы говорить с большими группами людей, возникла необходимость увеличить громкость человеческого голоса. Самыми ранними устройствами, использовавшимися для этого, были акустические мегафоны. Одними из первых примеров из Греции пятого века до нашей эры были театральные маски с ротовыми отверстиями в форме рогов, которые акустически усиливали голос актеров в амфитеатрах . [2] В 1665 году английский физик Роберт Гук первым экспериментировал со средой, отличной от воздуха, и изобрел « телефон влюбленных », сделанный из натянутой проволоки с чашками, прикрепленными на каждом конце. [3]
В 1856 году итальянский изобретатель Антонио Меуччи разработал динамический микрофон, основанный на генерации электрического тока путем перемещения катушки с проволокой на различную глубину в магнитном поле. Этот метод модуляции также был наиболее устойчивым методом для телефонной технологии. Говоря о своем устройстве, Меуччи писал в 1857 году: «Оно состоит из вибрирующей диафрагмы и наэлектризованного магнита со спиральной проволокой, которая намотана вокруг него. Вибрирующая диафрагма изменяет ток магнита. Эти изменения тока передаются на другой конец. проволоки, создают аналогичные колебания приемной диафрагмы и воспроизводят слово». [4]
В 1861 году немецкий изобретатель Иоганн Филипп Рейс построил первый передатчик звука (« телефон Рейса »), в котором использовалась металлическая полоска, прикрепленная к вибрирующей мембране, которая производила прерывистый ток. Лучшие результаты были достигнуты в 1876 году с использованием конструкции «жидкостного передатчика» в ранних телефонах Александра Грэма Белла и Элиши Грея : диафрагма была прикреплена к проводящему стержню в растворе кислоты. [5] Однако эти системы давали очень плохое качество звука.
Первым микрофоном, который позволил осуществлять полноценную голосовую телефонию, был угольный микрофон со свободным контактом . Он был независимо разработан Дэвидом Эдвардом Хьюзом в Англии и Эмилем Берлинером и Томасом Эдисоном в США. Хотя Эдисон получил первый патент (после долгого юридического спора) в середине 1877 года, Хьюз продемонстрировал свое рабочее устройство перед многими свидетелями несколькими годами ранее, и большинство историков приписывают ему это изобретение. [6] [7] [8] [9] Микрофон Berliner добился коммерческого успеха благодаря использованию Александром Грэмом Беллом для своего телефона, и Берлинер стал работать в Bell. [10] Угольный микрофон сыграл решающую роль в развитии телефонии, радиовещания и звукозаписывающей индустрии. [11] Томас Эдисон усовершенствовал угольный микрофон и создал свой угольный передатчик в 1886 году. [8] [12] Этот микрофон использовался во время первой радиопередачи - выступления в Нью-Йоркском Метрополитен-опера в 1910 году. [13]
В 1916 году компания EC Wente из Western Electric совершила следующий прорыв, выпустив первый конденсаторный микрофон. [14] В 1923 году был построен первый практический микрофон с подвижной катушкой. Магнитофон Маркони-Сайкса, разработанный капитаном Х. Дж. Раундом , стал стандартом для студий BBC в Лондоне. [15] [16] Он был улучшен в 1930 году Аланом Блюмлейном и Гербертом Холманом, выпустившими HB1A и ставшим лучшим стандартом того времени. [12]
Также в 1923 году был представлен ленточный микрофон , еще один электромагнитный тип, который, как полагают, был разработан Гарри Ф. Олсоном , который применил концепцию, использованную в ленточном динамике, для создания микрофона. [17] На протяжении многих лет эти микрофоны были разработаны несколькими компаниями, в первую очередь RCA, которая добилась значительных успехов в управлении диаграммой направленности, чтобы придать микрофону направленность. С бурным развитием теле- и кинотехнологий возникла потребность в микрофонах высокой четкости и большей направленности. Electro-Voice ответили своим микрофоном-пушкой , удостоенным премии Оскар , в 1963 году .
Во второй половине 20-го века разработка быстро продвинулась: братья Шур выпустили SM58 и SM57 . [19]
Микрофоны классифицируются по принципу преобразователя (например, конденсаторные, динамические и т. д.), а также по характеристикам направленности. Иногда для описания микрофона используются другие характеристики, такие как размер диафрагмы, предполагаемое использование или ориентация основного звукового входа относительно главной оси (конечного или бокового адреса) микрофона.
Конденсаторный микрофон , изобретенный в компании Western Electric в 1916 году Э. К. Венте [20] , также называется конденсаторным микрофоном или электростатическим микрофоном — конденсаторы исторически назывались конденсаторами. Диафрагма действует как одна пластина конденсатора, а звуковые колебания вызывают изменение расстояния между пластинами. Поскольку емкость пластин обратно пропорциональна расстоянию между ними, вибрации вызывают изменения емкости. Эти изменения емкости используются для измерения аудиосигнала . Сборка неподвижных и подвижных пластин называется «элементом» или «капсулой».
Конденсаторные микрофоны охватывают диапазон от телефонных передатчиков и недорогих микрофонов для караоке до высококачественных записывающих микрофонов. Обычно они производят высококачественный аудиосигнал и в настоящее время являются популярным выбором в лабораториях и студиях звукозаписи . Пригодность этой технологии обусловлена очень небольшой массой, которую необходимо перемещать падающей звуковой волной, в отличие от микрофонов других типов, которые требуют, чтобы звуковая волна выполняла больше работы.
Конденсаторным микрофонам требуется источник питания, подаваемый либо через микрофонные входы на оборудовании в виде фантомного питания , либо от небольшой батареи. Питание необходимо для установления напряжения на пластине конденсатора, а также для питания электроники микрофона (преобразование импеданса в случае электретных микрофонов и микрофонов с поляризацией по постоянному току, демодуляция или обнаружение в случае ВЧ/ВЧ микрофонов). Конденсаторные микрофоны также доступны с двумя диафрагмами, которые можно электрически соединить для обеспечения различных диаграмм направленности (см. ниже), таких как кардиоида, всенаправленная или восьмерка. Также можно непрерывно изменять диаграмму направленности с помощью некоторых микрофонов, например Røde NT2000 или CAD M179.
Существует две основные категории конденсаторных микрофонов, в зависимости от метода извлечения аудиосигнала от преобразователя: микрофоны со смещением постоянного тока и конденсаторные радиочастотные (РЧ) или высокочастотные (ВЧ) микрофоны.
В конденсаторном микрофоне со смещением постоянного тока пластины смещены с фиксированным зарядом ( Q ). Напряжение , поддерживаемое на обкладках конденсатора, меняется в зависимости от вибраций воздуха в соответствии с уравнением емкости (C = Q ⁄ V ), где Q = заряд в кулонах , C = емкость в фарадах и V = разность потенциалов в вольтах . На конденсаторе поддерживается почти постоянный заряд. При изменении емкости заряд конденсатора меняется очень незначительно, но на слышимых частотах он практически постоянен. Емкость капсюля (около 5–100 пФ ) и сопротивление резистора смещения (от 100 МОм до десятков ГОм) образуют фильтр верхних частот для аудиосигнала и фильтр нижних частот для напряжения смещения. Обратите внимание, что постоянная времени RC-цепи равна произведению сопротивления и емкости.
В течение времени изменения емкости (до 50 мс при звуковом сигнале 20 Гц) заряд практически постоянен, а напряжение на конденсаторе мгновенно изменяется, отражая изменение емкости. Напряжение на конденсаторе варьируется выше и ниже напряжения смещения. Разность напряжений между смещением и конденсатором видна на последовательном резисторе. Напряжение на резисторе усиливается для исполнения или записи. В большинстве случаев электроника самого микрофона не способствует увеличению напряжения, поскольку разность напряжений весьма значительна, до нескольких вольт при высоких уровнях звука. Поскольку это схема с очень высоким импедансом, обычно требуется только усиление по току, при этом напряжение остается постоянным.
Конденсаторные радиочастотные микрофоны используют сравнительно низкое радиочастотное напряжение, генерируемое малошумящим генератором. Сигнал от генератора может либо модулироваться по амплитуде за счет изменений емкости, вызываемых звуковыми волнами, перемещающими диафрагму капсюля, либо капсюль может быть частью резонансного контура , который модулирует частоту сигнала генератора. Демодуляция дает малошумящий сигнал звуковой частоты с очень низким импедансом источника. Отсутствие высокого напряжения смещения позволяет использовать диафрагму с более слабым натяжением, что позволяет добиться более широкой частотной характеристики за счет большей податливости. Процесс радиочастотного смещения приводит к созданию капсулы с более низким электрическим сопротивлением, полезным побочным продуктом которого является то, что радиочастотные конденсаторные микрофоны могут работать во влажных погодных условиях, что может создать проблемы в микрофонах со смещением постоянного тока с загрязненными изолирующими поверхностями. В микрофонах серии Sennheiser " MKH" используется метод радиочастотного смещения. Скрытое применение того же физического принципа на расстоянии было разработано советским российским изобретателем Леоном Терменом и использовалось для прослушивания резиденции посла США в Москве в период с 1945 по 1952 год.
Электретный микрофон — это разновидность конденсаторного микрофона, изобретенного Герхардом Сесслером и Джимом Уэстом в лабораториях Bell в 1962 году . [21] Внешний заряд, используемый в обычном конденсаторном микрофоне, заменяется постоянным зарядом в электретном материале. Электрет — это сегнетоэлектрический материал, который постоянно электрически заряжен или поляризован . Название происходит от слов «электростатический » и «магнит » ; статический заряд внедряется в электрет путем выравнивания статических зарядов в материале, подобно тому, как постоянный магнит создается путем выравнивания магнитных доменов в куске железа.
Благодаря хорошим характеристикам и простоте изготовления, а следовательно, и низкой стоимости, подавляющее большинство микрофонов, производимых сегодня, являются электретными микрофонами; производитель полупроводников оценивает годовое производство в более чем один миллиард единиц. [22] Они используются во многих приложениях: от высококачественной записи и использования петличных микрофонов до встроенных микрофонов в небольших звукозаписывающих устройствах и телефонах. До распространения МЭМС-микрофонов почти все микрофоны для мобильных телефонов, компьютеров, КПК и гарнитур были электретными. [ нужна цитата ]
В отличие от других конденсаторных микрофонов, они не требуют напряжения поляризации, но часто содержат встроенный предусилитель , которому требуется питание (часто неправильно называемое поляризационной мощностью или смещением). Этот предусилитель часто имеет фантомное питание в системах звукоусиления и студийных приложениях. В монофонических микрофонах, предназначенных для персональных компьютеров (ПК), иногда называемых мультимедийными микрофонами, используется разъем 3,5 мм, который обычно используется без питания для стерео; кольцо вместо передачи сигнала для второго канала передает питание через резистор от (обычно) источника питания 5 В в компьютере. Стереофонические микрофоны используют тот же разъем; нет очевидного способа определить, какой стандарт используется оборудованием и микрофонами.
Ламповый микрофон — это конденсаторный микрофон, в котором используется ламповый (ламповый) усилитель. [23] Они по-прежнему популярны среди любителей лампового звука .
Динамический микрофон (также известный как микрофон с подвижной катушкой ) работает за счет электромагнитной индукции . Они прочны, относительно недороги и устойчивы к влаге. Это, в сочетании с потенциально высоким усилением до обратной связи , делает их идеальными для использования на сцене.
Динамические микрофоны используют тот же динамический принцип, что и громкоговоритель , только обратный. К диафрагме прикреплена небольшая подвижная индукционная катушка , расположенная в магнитном поле постоянного магнита. Когда звук проходит через ветровое стекло микрофона, звуковая волна перемещает диафрагму. Когда диафрагма вибрирует, катушка движется в магнитном поле, создавая в катушке изменяющийся ток за счет электромагнитной индукции. Одна динамическая мембрана не реагирует линейно на все звуковые частоты. По этой причине некоторые микрофоны используют несколько мембран для разных частей звукового спектра, а затем объединяют полученные сигналы. Правильно объединить несколько сигналов сложно; конструкции, которые делают это, редки и, как правило, дороги. С другой стороны, есть несколько конструкций, которые более конкретно нацелены на изолированные части звукового спектра. Например, AKG D112 рассчитан на воспроизведение басов, а не высоких частот . [24]
В ленточных микрофонах используется тонкая, обычно гофрированная металлическая лента, подвешенная в магнитном поле. Лента электрически подключена к выходу микрофона, и ее вибрация в магнитном поле генерирует электрический сигнал. Ленточные микрофоны похожи на микрофоны с подвижной катушкой в том смысле, что оба производят звук посредством магнитной индукции. Базовые ленточные микрофоны улавливают звук по двунаправленной схеме (также называемой восьмеркой, как на схеме ниже), поскольку лента открыта с обеих сторон. Кроме того, поскольку лента имеет гораздо меньшую массу, она реагирует на скорость воздуха, а не на звуковое давление . Хотя симметричные передний и задний звукосниматели могут мешать при обычной стереозаписи, подавление верхних частот можно использовать с пользой, расположив ленточный микрофон горизонтально, например над тарелками, так, чтобы задний лепесток улавливал звук только от тарелок. Перекрещенная восьмерка, или пара Блюмляйна , стереозапись становится все более популярной, и отклик ленточного микрофона в форме восьмерки идеально подходит для этого применения.
Другие диаграммы направленности создаются путем помещения одной стороны ленты в акустическую ловушку или перегородку, позволяя звуку достигать только одной стороны. Классический микрофон RCA Type 77-DX имеет несколько регулируемых снаружи положений внутренней перегородки, что позволяет выбирать несколько шаблонов отклика: от «восьмерки» до «однонаправленного». По этой причине когда-то ценились такие старые ленточные микрофоны, некоторые из которых до сих пор обеспечивают высококачественное воспроизведение звука, но хороший низкочастотный отклик можно было получить только тогда, когда лента подвешивалась очень свободно, что делало их относительно хрупкими. В настоящее время внедрены современные ленточные материалы, включая новые наноматериалы [25] , которые устраняют эти проблемы и даже улучшают эффективный динамический диапазон ленточных микрофонов на низких частотах. Защитные ветрозащитные экраны могут снизить опасность повреждения винтажной ленты, а также уменьшить количество взрывных артефактов на записи. Правильно спроектированные ветровые экраны производят незначительное затухание высоких частот. Как и другие классы динамических микрофонов, ленточные микрофоны не требуют фантомного питания; Фактически, это напряжение может повредить некоторые старые ленточные микрофоны. Некоторые новые современные конструкции ленточных микрофонов включают в себя предусилитель и, следовательно, требуют фантомного питания, а схемы современных пассивных ленточных микрофонов (т.е. без вышеупомянутого предусилителя) специально разработаны для защиты ленты и трансформатора от повреждения фантомным питанием. Также доступны новые ленточные материалы, невосприимчивые к порывам ветра и фантомному питанию.
Угольный микрофон был самым ранним типом микрофона. В микрофоне с углеродной кнопкой (или иногда просто в микрофоне с кнопкой) используется капсула или кнопка, содержащая углеродные гранулы, зажатые между двумя металлическими пластинами, как в микрофонах Berliner и Edison. На металлические пластины подается напряжение, вызывающее протекание небольшого тока через углерод. Одна из пластин, диафрагма, вибрирует в соответствии с падающими звуковыми волнами, оказывая различное давление на углерод. Изменяющееся давление деформирует гранулы, вызывая изменение площади контакта между каждой парой соседних гранул, а это приводит к изменению электрического сопротивления массы гранул. Изменения сопротивления вызывают соответствующее изменение тока, протекающего через микрофон, создавая электрический сигнал. Угольные микрофоны когда-то широко использовались в телефонах; они имеют крайне низкое качество воспроизведения звука и очень ограниченный частотный диапазон, но являются очень надежными устройствами. Микрофон Буде, в котором использовались относительно большие угольные шарики, был похож на кнопочные микрофоны с гранулами углерода. [26]
В отличие от других типов микрофонов, угольный микрофон также можно использовать в качестве усилителя, используя небольшое количество звуковой энергии для управления большим количеством электрической энергии. Углеродные микрофоны нашли применение в качестве первых телефонных репитеров , делая возможными телефонные звонки на большие расстояния в эпоху, когда еще не существовало электронных ламп. Эти ретрансляторы , называемые реле Брауна, [27] работали путем механического соединения магнитной телефонной трубки с угольным микрофоном: слабый сигнал от приемника передавался на микрофон, где он модулировал более сильный электрический ток, производя более сильный электрический сигнал для отправки. по линии. Одной из иллюстраций этого эффекта усилителя были колебания, вызванные обратной связью, приводившие к слышимому визгу старого телефона-подсвечника, если его наушник находился рядом с угольным микрофоном.
Кристаллический микрофон или пьезомикрофон [28] использует явление пьезоэлектричества — способность некоторых материалов создавать напряжение при воздействии давления — для преобразования вибраций в электрический сигнал. Примером этого является тартрат калия-натрия , который представляет собой пьезоэлектрический кристалл, который работает как преобразователь, как микрофон, так и как тонкий компонент громкоговорителя. Когда-то кристаллические микрофоны обычно поставлялись в комплекте с электроламповым (ламповым) оборудованием, например с бытовыми магнитофонами. Их высокий выходной импеданс хорошо соответствовал высокому входному сопротивлению (обычно около 10 МОм) входного каскада электронной лампы. Их было трудно сопоставить с ранним транзисторным оборудованием, и на какое-то время они были быстро вытеснены динамическими микрофонами, а позже и небольшими электретными конденсаторными устройствами. Высокий импеданс кварцевого микрофона делал его очень чувствительным к помехам, исходящим как от самого микрофона, так и от соединительного кабеля.
Пьезоэлектрические преобразователи часто используются в качестве контактных микрофонов для усиления звука акустических музыкальных инструментов, для восприятия ударов барабана, для запуска электронных сэмплов и для записи звука в сложных условиях, например, под водой под высоким давлением. Звукосниматели акустических гитар, монтируемые на седле, обычно представляют собой пьезоэлектрические устройства, которые контактируют со струнами, проходящим через седло. Этот тип микрофона отличается от звукоснимателей с магнитной катушкой, обычно встречающихся на типичных электрогитарах , которые для улавливания вибрации используют магнитную индукцию, а не механическую связь.
Волоконно -оптический микрофон преобразует акустические волны в электрические сигналы, распознавая изменения интенсивности света, вместо того, чтобы распознавать изменения емкости или магнитных полей, как в обычных микрофонах. [29] [30]
Во время работы свет от лазерного источника проходит через оптическое волокно и освещает поверхность отражающей диафрагмы. Звуковые колебания диафрагмы модулируют интенсивность света, отражающегося от диафрагмы, в определенном направлении. Модулированный свет затем передается по второму оптическому волокну на фотодетектор, который преобразует модулированный по интенсивности свет в аналоговый или цифровой звук для передачи или записи. Волоконно-оптические микрофоны обладают широким динамическим и частотным диапазоном, подобно лучшим традиционным микрофонам высокой четкости.
Волоконно-оптические микрофоны не реагируют и не влияют на электрические, магнитные, электростатические или радиоактивные поля (это называется устойчивостью к электромагнитным и радиочастотным помехам ). Поэтому конструкция оптоволоконного микрофона идеальна для использования в местах, где обычные микрофоны неэффективны или опасны, например, внутри промышленных турбин или в оборудовании магнитно-резонансной томографии (МРТ).
Волоконно-оптические микрофоны прочны, устойчивы к изменениям окружающей среды, теплу и влаге, и могут производиться с любой направленностью или согласованием импеданса . Расстояние между источником света микрофона и его фотодетектором может достигать нескольких километров без необходимости использования какого-либо предусилителя или другого электрического устройства, что делает волоконно-оптические микрофоны пригодными для промышленного и наблюдательного акустического мониторинга.
Волоконно-оптические микрофоны используются в очень специфических областях применения, таких как инфразвуковой мониторинг и шумоподавление . Они оказались особенно полезными в медицинских целях, например, позволяя рентгенологам, персоналу и пациентам нормально общаться в мощном и шумном магнитном поле как внутри кабинетов МРТ, так и в удаленных диспетчерских. [31] Другие области применения включают мониторинг промышленного оборудования, калибровку и измерение звука, высококачественную запись и правоохранительную деятельность. [32]
Лазерные микрофоны часто изображаются в фильмах как шпионские устройства, поскольку их можно использовать для улавливания звука на расстоянии от микрофонного оборудования. Лазерный луч направляется на поверхность окна или другую плоскую поверхность, на которую воздействует звук. Вибрации этой поверхности изменяют угол отражения луча, а движение лазерного пятна от возвращающегося луча фиксируется и преобразуется в звуковой сигнал.
В более надежной и дорогой реализации отраженный свет разделяется и подается на интерферометр , который обнаруживает движение поверхности по изменениям длины оптического пути отраженного луча. Первая реализация представляет собой настольный эксперимент; последнее требует чрезвычайно стабильного лазера и точной оптики.
Новый тип лазерного микрофона представляет собой устройство, которое использует лазерный луч и дым или пар для обнаружения звуковых колебаний в свободном воздухе. 25 августа 2009 г. был выдан патент США № 7 580 533 на микрофон для обнаружения потока частиц на основе пары лазер-фотоэлемент с движущимся потоком дыма или пара на пути лазерного луча. Волны звукового давления вызывают возмущения в дыме, что, в свою очередь, приводит к изменению количества лазерного света, попадающего на фотодетектор. Прототип устройства был продемонстрирован на 127-м съезде Общества аудиоинженеров в Нью-Йорке с 9 по 12 октября 2009 года.
Ранние микрофоны не воспроизводили разборчивую речь, пока Александр Грэм Белл не внес усовершенствования, включая микрофон/передатчик с переменным сопротивлением. Жидкостный передатчик Белла представлял собой металлическую чашку, наполненную водой с небольшим количеством добавленной серной кислоты . Звуковая волна заставляла диафрагму двигаться, заставляя иглу двигаться вверх и вниз в воде. Электрическое сопротивление между проволокой и чашкой было тогда обратно пропорционально размеру водного мениска вокруг погруженной иглы. Элиша Грей выступил против версии, в которой вместо иглы используется латунный стержень. [ когда? ] Другие незначительные изменения и улучшения были внесены в жидкостный микрофон Майоранна, Чемберс, Ванни, Сайкс и Элиша Грей, а одна версия была запатентована Реджинальдом Фессенденом в 1903 году. Это были первые работающие микрофоны, но они не были практичны для коммерческого использования. приложение. Знаменитый первый телефонный разговор Белла и Ватсона состоялся с использованием жидкостного микрофона.
Микрофон MEMS (микроэлектромеханических систем) также называют микрофонным чипом или кремниевым микрофоном. Чувствительная к давлению диафрагма выгравирована непосредственно на кремниевой пластине с помощью методов обработки MEMS и обычно сопровождается встроенным предусилителем. [33] Большинство МЭМС-микрофонов представляют собой варианты конструкции конденсаторных микрофонов. Цифровые МЭМС-микрофоны имеют встроенные схемы аналого-цифрового преобразователя (АЦП) на том же КМОП-чипе, что делает микросхему цифровым микрофоном и, следовательно, более легко интегрируется с современными цифровыми продуктами. Основными производителями кремниевых микрофонов MEMS являются Wolfson Microelectronics (WM7xxx), теперь Cirrus Logic, [34] InvenSense (линейка продуктов, продаваемая Analog Devices [35] ), Akustica (AKU200x), Infineon (продукт SMM310), Knowles Electronics, Memstech (MSMx). , NXP Semiconductors (подразделение, купленное Knowles [36] ), Sonion MEMS, Vesper, AAC Acoustic Technologies, [37] и Omron. [38]
Совсем недавно, с 2010-х годов, возрос интерес и исследования по созданию пьезоэлектрических микрофонов MEMS, которые представляют собой существенное архитектурное и материальное изменение по сравнению с существующими конструкциями MEMS конденсаторного типа. [39]
В плазменном микрофоне используется плазменная дуга ионизированного газа. Звуковые волны вызывают изменения давления вокруг плазмы, в свою очередь, вызывая изменения температуры, которые изменяют проводимость плазмы. Эти изменения проводимости можно уловить как изменения, наложенные на электрическую подачу плазмы. [40] Это очень редкая форма микрофона.
Громкоговоритель, преобразователь, преобразующий электрический сигнал в звуковые волны, является функциональной противоположностью микрофона. Поскольку обычный динамик по конструкции аналогичен динамическому микрофону (с диафрагмой, катушкой и магнитом), динамики фактически могут работать «наоборот» как микрофоны. Применяется взаимность , поэтому полученный микрофон имеет те же недостатки, что и громкоговоритель с одним динамиком: ограниченная частотная характеристика низких и высоких частот, плохо контролируемая направленность и низкая чувствительность . На практике динамики иногда используются в качестве микрофонов в приложениях, где не требуется высокая пропускная способность и чувствительность, например, в домофонах , рациях или периферийных устройствах для голосового чата в видеоиграх , или когда обычных микрофонов не хватает.
Тем не менее, есть по крайней мере одно практическое применение, которое использует эти недостатки: использование низкочастотного динамика среднего размера , расположенного близко перед «бабочкой» ( бас-барабаном ) в барабанной установке и действующей в качестве микрофона. Примером коммерческого продукта является Yamaha Subkick, низкочастотный динамик диаметром 6,5 дюймов (170 мм), вмонтированный в корпус 10-дюймового барабана, используемый перед бас-барабанами. Поскольку относительно массивная мембрана не способна передавать высокие частоты, но при этом способна выдерживать Благодаря сильным низкочастотным переходным процессам динамик часто идеально подходит для улавливания бас-барабана, одновременно уменьшая утечку звука из соседних тарелок и малого барабана .
Внутренние элементы микрофона являются основным источником различий в направленности. Микрофон давления использует диафрагму между фиксированным внутренним объемом воздуха и окружающей средой и равномерно реагирует на давление со всех направлений, поэтому его называют всенаправленным. В микрофоне с градиентом давления используется диафрагма, которая, по крайней мере, частично открыта с обеих сторон. Разница давлений между двумя сторонами определяет характеристики направления. Другие элементы, такие как внешняя форма микрофона и внешние устройства, такие как интерференционные трубки, также могут изменить направленную характеристику микрофона. Микрофон с чистым градиентом давления одинаково чувствителен к звукам, доходящим спереди или сзади, но нечувствителен к звукам, доходящим сбоку, поскольку звук, доходящий одновременно спереди и сзади, не создает градиента между ними. Характерная диаграмма направленности микрофона с чистым градиентом давления похожа на восьмерку. Другие полярные диаграммы получаются путем создания капсулы, которая по-разному сочетает эти два эффекта. Кардиоида, например, имеет частично закрытую заднюю часть, поэтому ее реакция представляет собой комбинацию характеристик давления и градиента давления. [42]
Направленность или диаграмма направленности микрофона показывает, насколько он чувствителен к звукам, приходящим под разными углами относительно его центральной оси. Диаграммы полярности, показанные выше, представляют собой геометрическое положение точек, которые производят сигнал одинакового уровня на выходе микрофона, если из этой точки генерируется заданный уровень звукового давления (SPL). То, как ориентирован физический корпус микрофона относительно схем, зависит от конструкции микрофона. Для микрофонов с большой мембраной, таких как «Октава» (на фото выше), направление вверх на полярной диаграмме обычно перпендикулярно корпусу микрофона, что обычно называют «боковой огонь» или «боковой адрес». В микрофонах с маленькой диафрагмой, таких как Shure (также изображенный выше), он обычно простирается от оси микрофона, обычно известной как «конечный огонь» или «верхний/конечный адрес».
Некоторые конструкции микрофонов сочетают в себе несколько принципов создания желаемой диаграммы направленности. Это варьируется от экранирования (то есть дифракции/рассеяния/поглощения) самим корпусом до электронного объединения двойных мембран.
Отклик всенаправленного (или ненаправленного) микрофона обычно считается идеальной сферой в трех измерениях . В реальном мире это не так. Как и в случае с направленными микрофонами, диаграмма направленности «всенаправленного» микрофона является функцией частоты. Корпус микрофона не бесконечно мал и, как следствие, имеет тенденцию мешать звукам, поступающим сзади, вызывая небольшое сглаживание полярного отклика. Это сплющивание увеличивается по мере того, как диаметр микрофона (при условии, что он цилиндрический) достигает длины волны рассматриваемой частоты. Таким образом, микрофон наименьшего диаметра обеспечивает наилучшие всенаправленные характеристики на высоких частотах.
Длина волны звука на частоте 10 кГц составляет 1,4 дюйма (3,5 см). Самые маленькие измерительные микрофоны часто имеют диаметр 1/4 дюйма (6 мм), что практически исключает направленность даже до самых высоких частот. Всенаправленные микрофоны, в отличие от кардиоидных, не используют резонансные полости в качестве задержки, поэтому их можно считать «самыми чистыми» микрофонами с точки зрения низкой окраски; они очень мало добавляют к исходному звуку. Будучи чувствительными к давлению, они также могут иметь очень ровную низкочастотную характеристику до 20 Гц или ниже. Чувствительные к давлению микрофоны также гораздо меньше реагируют на шум ветра и взрывные звуки, чем направленные (чувствительные к скорости) микрофоны.
Области применения: студии, старые церкви, театры, выездные телеинтервью и т. д. [44]
Примером ненаправленного микрофона является круглая черная восьмерка . [45]
Однонаправленный микрофон в первую очередь чувствителен к звукам только с одного направления. Диаграмма выше (доля) иллюстрирует ряд таких паттернов. На каждой диаграмме микрофон направлен вверх. Интенсивность звука для определенной частоты отображается для углов радиально от 0 до 360°. (Профессиональные диаграммы показывают эти шкалы и включают несколько графиков на разных частотах. Приведенные здесь диаграммы дают только обзор типичных форм паттернов и их названий.)
Наиболее распространенным однонаправленным микрофоном является кардиоидный микрофон, названный так потому, что его чувствительность имеет форму сердца (т. е. кардиоидный ) . Семейство кардиоидных микрофонов обычно используется в качестве вокальных или речевых микрофонов, поскольку они хорошо подавляют звуки с других направлений. В трех измерениях кардиоида имеет форму яблока с центром вокруг микрофона, который является «стеблем» яблока. Кардиоидный отклик уменьшает наводки сбоку и сзади, помогая избежать обратной связи от мониторов . Поскольку эти микрофоны с направленным преобразователем достигают своей диаграммы направленности, чувствуя градиент давления, размещение их очень близко к источнику звука (на расстоянии нескольких сантиметров) приводит к усилению низких частот из-за увеличения градиента. Это известно как эффект близости . [46] SM58 уже более 50 лет является наиболее часто используемым микрофоном для живого вокала [47], что демонстрирует важность и популярность кардиоидных микрофонов.
Кардиоидный микрофон фактически представляет собой суперпозицию всенаправленного (давление) микрофона и микрофона в форме восьмерки (градиент давления); [48] для звуковых волн, идущих сзади, отрицательный сигнал от восьмерки нейтрализует положительный сигнал от всенаправленного элемента, тогда как для звуковых волн, идущих спереди, они суммируются. Однако на низких частотах кардиоидный микрофон ведет себя как всенаправленный микрофон.
Комбинируя два компонента в разных соотношениях, можно получить любую схему между омни и восьмеркой, которые составляют семейство кардиоид первого порядка. Общие формы включают в себя:
Три таких кардиоидных микрофона/гидрофона могут быть ориентированы ортогонально в виде совмещенной триады, чтобы улучшить усиление, а также создать управляемую диаграмму направленности. [53] [54]
«Цифра 8» или двунаправленные микрофоны одинаково воспринимают звук как с передней, так и с задней части элемента. Большинство ленточных микрофонов имеют эту модель. В принципе они вообще не реагируют на звуковое давление, а только на изменение давления между передней и задней частью; поскольку звук, поступающий сбоку, одинаково достигает передней и задней части, нет разницы в давлении и, следовательно, нет чувствительности к звуку с этого направления. Говоря более математическими терминами, всенаправленные микрофоны представляют собой скалярные преобразователи, реагирующие на давление с любого направления, а двунаправленные микрофоны представляют собой векторные преобразователи, реагирующие на градиент вдоль оси, нормальной к плоскости диафрагмы. Это также приводит к инвертированию выходной полярности для звуков, поступающих с задней стороны.
Микрофоны-пушки являются наиболее узконаправленными из простых однонаправленных микрофонов первого порядка. На низких частотах они имеют классический полярный отклик гиперкардиоиды, а на средних и более высоких частотах интерференционная трубка дает им увеличенный прямой отклик. Это достигается за счет подавления внеосевых волн, попадающих в продольный массив щелей. Следствием этого метода является наличие некоторых задних лепестков, уровень и угол которых варьируются в зависимости от частоты и могут вызывать некоторые эффекты окраски.
Было разработано несколько подходов для эффективного использования микрофона в неидеальных акустических пространствах, которые часто страдают от чрезмерных отражений от одной или нескольких поверхностей (границ), составляющих пространство. Если микрофон расположен внутри одной из этих границ или очень близко к ней, отражения от этой поверхности имеют тот же момент, что и прямой звук, что придает микрофону полусферическую диаграмму направленности и улучшает разборчивость. Первоначально это делалось путем размещения обычного микрофона рядом с поверхностью, иногда в блоке из акустически прозрачного пенопласта. Звукорежиссеры Эд Лонг и Рон Викершем разработали концепцию размещения диафрагмы параллельно границе и лицом к ней. [55] Несмотря на то, что срок действия патента истек, Pressure Zone Microphone и PZM по-прежнему являются действующими товарными знаками компании Crown International .
Хотя граничный микрофон изначально был реализован с использованием всенаправленного элемента, также возможно установить направленный микрофон достаточно близко к поверхности, чтобы получить некоторые преимущества этого метода, сохранив при этом направленные свойства элемента. Торговая марка Crown в этом подходе — Phase Coherent Cardioid или PCC , но есть и другие производители, которые также используют эту технологию.
Петличный микрофон предназначен для работы без помощи рук. Эти маленькие микрофоны носят на теле. Первоначально их фиксировали с помощью шнурка, который носили на шее, но чаще всего их прикрепляли к одежде с помощью зажима, булавки, ленты или магнита. Петличный шнур можно спрятать под одеждой и либо подвести к радиочастотному передатчику в кармане, либо прикрепить к ремню (для мобильного использования), либо проложить непосредственно к микшеру (для стационарного применения).
Беспроводной микрофон передает звук в виде радио- или оптического сигнала, а не по кабелю. Обычно он отправляет свой сигнал с помощью небольшого радиопередатчика на ближайший приемник, подключенный к звуковой системе, но он также может использовать инфракрасные волны, если передатчик и приемник находятся в пределах видимости друг друга. [ нужна цитата ]
Контактный микрофон улавливает вибрации непосредственно от твердой поверхности или объекта, в отличие от звуковых вибраций, переносимых по воздуху. Одним из применений этого является обнаружение звуков очень низкого уровня, например, звуков мелких предметов или насекомых . Микрофон обычно состоит из магнитного преобразователя (подвижной катушки), контактной пластины и контактного штыря. Контактная пластина размещается непосредственно на вибрирующей части музыкального инструмента или другой поверхности, а контактный штифт передает вибрации катушке. Контактные микрофоны использовались для улавливания звука сердцебиения улитки и шагов муравьев. Недавно была разработана портативная версия этого микрофона. Горловой микрофон — это вариант контактного микрофона, который улавливает речь непосредственно из горла человека, к которому он прикреплен. Это позволяет использовать устройство в местах с окружающими звуками, из-за которых в противном случае динамик был бы не слышен.
Параболический микрофон использует параболический отражатель для сбора и фокусировки звуковых волн на приемник микрофона, почти так же, как параболическая антенна (например, спутниковая тарелка ) делает это с радиоволнами. Типичные области применения этого микрофона, который имеет необычно сфокусированную переднюю чувствительность и может улавливать звуки на расстоянии многих метров, включают запись природы, спортивные мероприятия на открытом воздухе, подслушивание , правоохранительные органы и даже шпионаж . Параболические микрофоны обычно не используются для стандартных приложений записи, поскольку они имеют тенденцию иметь плохой низкочастотный отклик как побочный эффект их конструкции.
Стереомикрофон объединяет два микрофона в одном устройстве для создания стереофонического сигнала. Стереомикрофон часто используется для вещания или полевой записи , где было бы непрактично настроить два отдельных конденсаторных микрофона в классической конфигурации XY (см. практику работы с микрофонами ) для стереофонической записи. Некоторые такие микрофоны имеют регулируемый угол охвата между двумя каналами.
Микрофон с шумоподавлением представляет собой узконаправленную конструкцию, предназначенную для работы в шумной обстановке. Одним из таких применений является кабина самолетов , где они обычно устанавливаются в качестве микрофонов на гарнитурах. Другое применение — поддержка живых выступлений на громких концертных площадках для вокалистов, участвующих в живых выступлениях . Многие микрофоны с шумоподавлением объединяют сигналы, полученные от двух диафрагм, находящихся в противоположной электрической полярности , или обрабатываются электронным способом. В конструкциях с двойной диафрагмой основная диафрагма устанавливается ближе всего к предполагаемому источнику, а вторая располагается дальше от источника, чтобы она могла улавливать звуки окружающей среды и вычитаться из сигнала основной диафрагмы. После объединения двух сигналов звуки, отличные от предполагаемого источника, значительно уменьшаются, что существенно повышает разборчивость. В других конструкциях шумоподавления используется одна диафрагма, на которую влияют порты, открытые по бокам и сзади микрофона, в результате чего в сумме происходит подавление звуков, находящихся дальше, на 16 дБ. Одна конструкция гарнитуры с шумоподавлением и одной диафрагмой широко использовалась такими вокалистами, как Гарт Брукс и Джанет Джексон . [56] Некоторые микрофоны с шумоподавлением представляют собой гортанные микрофоны.
С микрофонами используются различные стандартные методы, используемые для звукоусиления на живых выступлениях, для записи в студии или на съемочной площадке. За счет подходящего расположения одного или нескольких микрофонов можно сохранить желаемые характеристики улавливаемого звука, одновременно подавляя нежелательные звуки.
Микрофонам, содержащим активные схемы, например большинству конденсаторных микрофонов, требуется питание для работы активных компонентов. В первом из них использовались ламповые схемы с отдельным блоком питания, многоконтактным кабелем и разъемом. С появлением полупроводникового усиления требования к питанию значительно снизились, и стало практичным использовать одни и те же жилы кабеля и разъем для звука и питания. В 1960-е годы было разработано несколько методов подачи энергии, в основном в Европе. Два доминирующих метода были первоначально определены в немецком стандарте DIN 45595 как de:Tonaderspeisung или T-power и DIN 45596 как фантомное питание. С 1980-х годов фантомное питание стало гораздо более распространенным, поскольку один и тот же вход может использоваться как для микрофонов с питанием, так и для микрофонов без питания. В бытовой электронике, такой как зеркальные фотоаппараты и видеокамеры, более распространено «подключаемое питание» для микрофонов, использующих телефонный разъем 3,5 мм. Фантомное питание, T-питание и питание от сети описаны в международном стандарте IEC 61938. [57]
Наиболее распространенные разъемы, используемые для микрофонов:
В некоторых микрофонах используются другие разъемы, например 5-контактный XLR или мини-XLR для подключения к портативному оборудованию. Некоторые петличные микрофоны (или «нагрудные», со времен прикрепления микрофона к лацкану костюма репортера) используют собственный разъем для подключения к беспроводному передатчику, например радиоприемнику . С 2005 года начали появляться микрофоны профессионального качества с USB-подключением, предназначенные для прямой записи в компьютерное программное обеспечение.
При выборе предварительного усилителя для определенного микрофона необходимо знать сопротивление микрофона . Импеданс — это частотно-зависимая электрическая характеристика, измеряемая в Омах (Ом), которая связывает напряжение с током. Когда речь не идет о передаче мощности , сигналы обычно передаются в виде переменных напряжений, и это также относится к микрофонам. Чтобы получить максимальную амплитуду сигнала, используется метод, называемый импедансным мостовым соединением . В этой конфигурации выходное сопротивление микрофона должно быть незначительным по сравнению с входным сопротивлением предварительного усилителя (на практике рекомендуется, чтобы сопротивление предварительного усилителя как минимум в 10 раз превышало сопротивление микрофона). При этом сигнал ослабляется минимально, и при этом практически не используется мощность. [58]
Основной альтернативой мостовому соединению импедансов является согласование импедансов, которое максимизирует передачу мощности при заданном импедансе источника. Однако это не имело значения с начала 20 века, когда усилители были очень дорогими и выделяли много тепла. Чтобы уменьшить количество усилителей в телефонных линиях, потери мощности должны были быть минимальными, чтобы импедансы источника и нагрузки были согласованы. Недостатком согласования импеданса является потеря сигнала на 6 дБ, которая возникает, когда на входе предварительного усилителя появляется только половина уровня напряжения. [58] Однако некоторые ленточные и динамические микрофоны являются исключениями, поскольку разработчики предполагали, что определенное сопротивление нагрузки является частью внутренней цепи электроакустического демпфирования микрофона. [59] [ сомнительно ]
Разные микрофоны могут иметь совершенно разные импедансы, и это зависит от конструкции. В пассивных микрофонах это значение тесно связано с сопротивлением катушки (или аналогичного механизма). В активных микрофонах это значение описывает выходное сопротивление схемы внутреннего усилителя.
Низким импедансом считается значение ниже 600 Ом. Среднее сопротивление считается между 600 Ом и 10 кОм. Высокое сопротивление превышает 10 кОм. Благодаря встроенному усилителю выходное сопротивление конденсаторных микрофонов обычно составляет от 50 до 200 Ом. [58] [60]
Стандарт AES42, опубликованный Обществом аудиотехники , определяет цифровой интерфейс для микрофонов. Микрофоны, соответствующие этому стандарту, напрямую выводят цифровой аудиопоток через штекер XLR или XLD , а не создают аналоговый выходной сигнал. Цифровые микрофоны можно использовать либо с новым оборудованием с соответствующими входными соединениями, соответствующими стандарту AES42, либо через подходящий интерфейсный блок. Микрофоны студийного качества, работающие в соответствии со стандартом AES42, теперь доступны у ряда производителей микрофонов.
Из-за различий в конструкции микрофоны имеют свои характерные реакции на звук. Эта разница в отклике приводит к неоднородности фазовых и частотных характеристик. Кроме того, микрофоны неравномерно чувствительны к звуковому давлению и могут воспринимать разные уровни без искажений. Хотя для научных целей желательны микрофоны с более равномерным откликом, для записи музыки это часто не так, поскольку неравномерный отклик микрофона может придать звуку желаемую окраску. Существует международный стандарт технических характеристик микрофонов [61] , но немногие производители его придерживаются. В результате сравнение опубликованных данных разных производителей затруднено, поскольку используются разные методы измерения. Однако следует с осторожностью делать какие-либо убедительные выводы на основе этих или любых других опубликованных данных, за исключением случаев, когда известно, что производитель предоставил спецификации в соответствии со стандартом IEC 60268-4.
Диаграмма частотной характеристики отображает чувствительность микрофона в децибелах в диапазоне частот (обычно от 20 Гц до 20 кГц), как правило, для звука, идеально расположенного по оси (звук, доходящий до капсюля под углом 0°). Менее информативно частотную характеристику можно выразить текстуально так: «30 Гц–16 кГц ±3 дБ». Это интерпретируется как почти плоский, линейный график между указанными частотами с вариациями амплитуды не более плюс-минус 3 дБ. Однако по этой информации нельзя определить, насколько плавны изменения и в каких частях спектра они происходят. Обратите внимание, что часто используемые утверждения, такие как «20 Гц–20 кГц», бессмысленны без меры допуска в децибелах. Частотная характеристика направленных микрофонов сильно зависит от расстояния от источника звука и геометрии источника звука. В стандарте IEC 60268-4 указано, что частотная характеристика должна измеряться в условиях плоской прогрессивной волны (очень далеко от источника), но это редко бывает практичным. Микрофоны для близкого разговора можно измерять с разными источниками звука и на разных расстояниях, но не существует стандарта и, следовательно, нет возможности сравнивать данные разных моделей, если не описана методика измерения.
Собственный шум или эквивалентный уровень входного шума — это уровень звука, который создает то же выходное напряжение, что и микрофон в отсутствие звука. Это самая низкая точка динамического диапазона микрофона, и это особенно важно, если вы хотите записывать тихие звуки. Эта мера часто указывается в дБ(А) , что представляет собой эквивалентную громкость шума по шкале децибел, взвешенную по частоте в зависимости от того, как слышит ухо, например: «15 дБА SPL» (SPL означает уровень звукового давления относительно 20 микропаскалей ). ). Чем меньше число, тем лучше. Некоторые производители микрофонов указывают уровень шума, используя взвешивание шума ITU-R 468 , которое более точно отражает то, как мы слышим шум, но дает цифру примерно на 11–14 дБ выше. Тихий микрофон обычно измеряет уровень звукового давления 20 дБ или 32 дБ по 468-взвешенному уровню. Для специальных применений уже много лет существуют очень тихие микрофоны, такие как Brüel & Kjaer 4179, с уровнем шума около 0 дБ SPL. Недавно на рынке студий и развлечений были представлены некоторые микрофоны с низким уровнем шума, например, модели Neumann и Røde, в которых заявлен уровень шума 5–7 дБА. Обычно это достигается путем изменения частотной характеристики капсюля и электроники, что приводит к снижению шума в пределах кривой А-взвешивания , в то время как широкополосный шум может быть увеличен. [ нужна цитата ]
Уровень ограничения является важным индикатором максимального полезного уровня, поскольку показатель общего гармонического искажения (THD) в 1%, обычно указываемый под максимальным уровнем звукового давления, на самом деле представляет собой очень умеренный уровень искажений, совершенно неслышимый, особенно на коротких высоких пиках. Отсечение гораздо слышнее. Для некоторых микрофонов уровень ограничения может быть намного выше максимального уровня звукового давления. [ нужна цитата ]
Динамический диапазон микрофона — это разница звукового давления между минимальным уровнем шума и максимальным уровнем звукового давления. Если указано само по себе, например, «120 дБ», оно передает значительно меньше информации, чем значения собственного шума и максимального уровня звукового давления по отдельности.
Чувствительность показывает, насколько хорошо микрофон преобразует акустическое давление в выходное напряжение. Высокочувствительный микрофон создает большее напряжение и поэтому требует меньшего усиления на микшере или записывающем устройстве. Это практическая проблема, но она не является прямым показателем качества микрофона, и на самом деле термин «чувствительность» является своего рода неправильным употреблением, возможно, более значимым является «усиление трансдукции» (или просто «выходной уровень»), поскольку истинная чувствительность обычно устанавливается минимальным уровнем шума , а слишком большая «чувствительность» с точки зрения выходного уровня ставит под угрозу уровень ограничения. Есть две общие меры. (Предпочтительный) международный стандарт измеряется в милливольтах на паскаль при частоте 1 кГц. Более высокое значение указывает на большую чувствительность. Старый американский метод основан на стандарте 1 В/Па и измеряется в простых децибелах, что дает отрицательное значение. Опять же, более высокое значение указывает на большую чувствительность, поэтому значение −60 дБ более чувствительно, чем −70 дБ. [ нужна цитата ]
Некоторые микрофоны предназначены для тестирования динамиков, измерения уровня шума и иной количественной оценки акустических ощущений. Это калиброванные преобразователи, которые обычно поставляются с сертификатом калибровки, в котором указана абсолютная чувствительность к частоте. Качество измерительных микрофонов часто обозначают с помощью обозначений «Класс 1», «Тип 2» и т. д., которые относятся не к характеристикам микрофона, а к измерителям уровня звука . [62] Недавно был принят более полный стандарт [63] для описания характеристик измерительного микрофона.
Измерительные микрофоны обычно представляют собой скалярные датчики давления ; они демонстрируют всенаправленный отклик, ограниченный только профилем рассеяния их физических размеров. Измерения интенсивности звука или звуковой мощности требуют измерений градиента давления, которые обычно выполняются с использованием решеток, состоящих как минимум из двух микрофонов, или с помощью анемометров с подогреваемой проволокой .
Чтобы провести научные измерения с помощью микрофона, необходимо знать его точную чувствительность (в вольтах на паскаль ). Поскольку это может измениться в течение срока службы устройства, необходимо регулярно калибровать измерительные микрофоны. Эту услугу предлагают некоторые производители микрофонов и независимые сертифицированные испытательные лаборатории. Вся калибровка микрофонов в конечном итоге отслеживается по первичным стандартам в национальных измерительных институтах, таких как NPL в Великобритании, PTB в Германии и NIST в США, которые чаще всего калибруют с использованием первичного стандарта взаимности. Измерительные микрофоны, откалиброванные с помощью этого метода, затем можно использовать для калибровки других микрофонов с использованием методов сравнительной калибровки.
В зависимости от применения измерительные микрофоны необходимо проверять периодически (обычно каждый год или несколько месяцев) и после любого потенциально опасного события, например, падения (большинство таких микрофонов поставляются в чехлах с пенопластом, чтобы снизить этот риск) или воздействия звуков. за пределами приемлемого уровня.
Микрофонная решетка — это любое количество микрофонов, работающих в тандеме . Существует множество приложений:
Обычно массив состоит из всенаправленных микрофонов, распределенных по периметру помещения и связанных с компьютером , который записывает и интерпретирует результаты в связной форме.
Ветровые стекла (или ветровые стекла – эти термины взаимозаменяемы) позволяют снизить воздействие ветра на микрофоны. В то время как всплывающие экраны обеспечивают защиту от однонаправленных взрывов, пенопластовые «шляпы» защищают решетку от ветра со всех сторон, а дирижабли , дирижабли и корзины полностью закрывают микрофон и защищают его корпус. Последнее важно, поскольку, учитывая чрезвычайно низкочастотный состав шума ветра, вибрация, возникающая в корпусе микрофона, может существенно способствовать выходному шуму.
Используемый экранирующий материал – проволочная сетка, ткань или пенопласт – имеет значительный акустический импеданс. Изменения давления воздуха с относительно низкой скоростью частиц, которые образуют звуковые волны, могут проходить с минимальным затуханием, но ветер с более высокими скоростями частиц задерживается в гораздо большей степени. Увеличение толщины материала улучшает затухание ветра, но также начинает ухудшать качество высокочастотного звука. Это ограничивает практический размер простых пенопластовых экранов. В то время как пенопласт и проволочная сетка могут быть частично или полностью самонесущими, мягкие ткани и сетки требуют растягивания на каркасах или ламинирования более грубыми структурными элементами.
Поскольку весь шум ветра создается на первой поверхности, на которую попадает воздух, чем больше расстояние между периферией экрана и капсюлем микрофона, тем больше затухание шума. Для примерно сферического щита затухание увеличивается (приблизительно) на куб этого расстояния. При использовании лобовых стекол с полной корзиной возникает дополнительный эффект камеры давления, впервые объясненный Йоргом Вуттке [64] , который для двухпортовых микрофонов (с градиентом давления) позволяет комбинации экрана и микрофона действовать как акустический фильтр верхних частот.
Поскольку турбулентность на поверхности является источником шума ветра, уменьшение сильной турбулентности может способствовать снижению шума. Успешно используются как аэродинамически гладкие поверхности, так и препятствующие образованию мощных вихрей. Исторически искусственный мех оказался очень полезным для этой цели, поскольку его волокна создают микротурбулентность и бесшумно поглощают энергию. Если волокна меха не спутаны ветром и дождем, они очень акустически прозрачны, но тканая или трикотажная основа может значительно ослабить шум. Как материал, его сложно производить стабильно, и его трудно поддерживать в первозданном состоянии на месте. Таким образом, существует заинтересованность в отказе от его использования. [65]
