Основные элементы конструкции
В современных микрофонах для бытовой техники используется принцип преобразования — электростатический и индукционный. Микрофоны, построенные по электростатическому принципу, принято называть конденсаторными, причем если они имеют «внутренний» электретный источник напряжения поляризации, то их называют конденсаторными электретными, или просто электретными.
Микрофоны, основанные на индукционном принципе преобразования, называют электродинамическими. В зависимости от формы провода и конструкции магнитной цепи электродинамические микрофоны разделяются на катушечные, ленточные или ортодинамические.
Схематический поперечный разрез конструкции микрофона.
Микрофон любого принципа преобразования, состоит из корпуса 1 с размещенным в нем электроакустическим преобразователем (капсюлем) 2, передней перфорированной крышки 3, встроенного соединителя 4 или кабеля с соединителем. В корпусе конденсаторных электретных микрофонов кроме электроакустического преобразователя размещаются еще предварительный усилитель 5 (как правило, в интегральном исполнении), батарея питания предварительного усилителя 5 и выходной трансформатор 7.
Корпус микрофона состоит из передней перфорированной крышки и массивной задней закрытой части. Передняя перфорированная крышка служит для защиты подвижной системы от механических повреждений и, частично, от «задувания» направленными потоками воздуха при воздействии ветра или воздушных потоков, возникающих при произношении «взрывных» согласных, свиста и т. п. Для уменьшения помех от воздействия воздушных потоков, с внутренней стороны крышки, обычно располагают один или два слоя сеток с ячейками различной величины, а с передней стороны их еще и пластину поролона. Такая конструкция крышки рассеивает ламинарный поток воздуха и, тем самым, защищает подвижную систему от «задувания». Иногда крышка используется также и для крепления капсюля микрофона. Форма крышки, форма перфораций, толщина стенок, свободный объем внутри крышки оказывают сильное влияние на формирование частотной характеристики чувствительности (ЧХЧ) и частотной характеристики направленности (ЧХН) микрофона, особенно в области средних и высоких частот.
Вторая половина корпуса — закрытая, служит для крепления в нем различных деталей микрофона, а у «ручных» микрофонов и для удержания микрофона в руке. Так, у электродинамических микрофонов задняя половина корпуса служит для крепления ряда объемов, соединенных между собой перегородками с отверстиями или трубками. Эти детали являются элементами акустической системы электроакустического преобразователя. Кроме того, в корпусе могут быть закреплены амортизаторы капсюля, уменьшающие восприимчивость микрофона к ударам, т. е. помеху, воздействующую на подвижную систему микрофона при перекладывании микрофона из руки в руку или ударе об стол, если микрофон закреплен на настольной стойке, или ударе о пол при закреплении микрофона на напольной стойке. Чтобы уменьшить влияние ударов на подвижную систему микрофона, стенки корпуса делаются достаточно толстыми, а у ручных микрофонов корпус должен быть и достаточно массивным.
В корпусах микрофонов закрепляются также, если это необходимо, и такие элементы, как корректирующие цепи, переключатели, выключатели, а в дне корпуса — микрофонные соединители или детали, крепящие выходной кабель.
У электретных микрофонов в задней половине корпуса размещаются предварительный усилитель с выходным трансформатором и батарея питания. У микрофонов этого типа преобразования обе половины корпуса соединяются, как правило, на резьбе. Такая конструкция позволяет легко вставлять и вынимать батарею питания.
Электроакустический преобразователь электродинамического катушечного микрофона состоит из подвижной, магнитной и акустической систем. Схематический поперечный разрез типичной конструкции электроакустического преобразователя (капсюля) катушечного электродинамического ненаправленного микрофона представлен на следующем рисунке.
Схематический поперечный разрез электроакустического преобразователя катушечного электродинамического ненаправленного микрофона:
Подвижная система микрофона. Представляет собой диафрагму с жесткой центральной частью сферической формы 1 и мягким гофрированным подвесом 2, цилиндрической катушкой 3, приклеенной к площадке между центральной частью диафрагмы и подвесом. Магнитная система содержит постоянный магнит 4 и магнитопровод, состоящий из стакана 5, фланца 6 и полюсного наконечника 7. Между внутренним диаметром фланца и внешним диаметром полюсного наконечника имеется кольцевой воздушный зазор 8. Магнит намагничен по оси, поэтому в воздушном зазоре магнитной цепи силовые линии направлены радиально.
Диафрагма приклеивается по периферии к фланцу так, чтобы катушка находилась в середине воздушного зазора магнитной цепи. При воздействии переменного звукового давления на диафрагму она начинает колебаться и вместе с нею приходит в колебание катушка. При этом она пересекает магнитные силовые линии и в ней индуцируется электродвижущая сила (ЭДС). Таким образом, акустические колебания воздушной среды преобразуются в электрические.
При колебаниях диафрагмы в полостях между ней и полюсным наконечником и фланцем будет образовываться избыточное или пониженное давление. При движении диафрагмы к магнитной системе, воздух из полостей под ней начинает вытекать через воздушный зазор в свободный объем стакана 9, и через отверстия 10 в дне стакана в ряд полостей и объемов 11, соединенных между собой перегородками с отверстиями, закрытыми тканью 12.
Сверху, над диафрагмой на незначительном расстоянии от нее устанавливается накладка 13, форма центральной части которой близка к форме центральной части диафрагмы. Таким образом, между центральной частью диафрагмы и накладкой образуется щель 14. За центральной частью накладка обычно имеет широкие окна, т. е. акустически, в этой части, она прозрачна. Щель 14 оказывает существенное влияние на формирование частотной характеристики чувствительности микрофона на высоких частотах. Совокупность всех этих конструктивных элементов является акустической системой, а диафрагма с катушкой — механической системой электроакустического преобразователя.
Значение параметров механической системы равно, как и значение и соот¬ношение параметров акустической системы микрофона, формируют частотную характеристику чувствительности. Если воздушный объем магнитной системы и присоединенные к нему полости и объемы герметически изолированы от внешней среды, то звуковое давление воздействует на диафрагму только с передней (фронтальной) стороны, т. е. микрофон имеет только один акустический вход. В этом случае чувствительность микрофона не зависит от направления прихода звукового сигнала. Однако это справедливо только в диапазоне частот, пока размеры микрофона малы по сравнению с длиной волны.
Схематический поперечный разрез электроакустического преобразователя катушечного электродинамического направленного микрофона: 15 — отверстия, закрытые тканью
Схематический поперечный разрез капсюля направленного электродинамического катушечного микрофона. Он отличается от ненаправленного тем, что в стакане магнитной цепи, а иногда и в примыкающем к нему объеме, имеются отверстия 15, закрытые тканью. Эти отверстия служат для доступа звукового давления к задней стороне диафрагмы. Таким образом, направленный микрофон отличается от ненаправленного тем, что он имеет минимум два акустических входа, причем звуковая волна достигает второго акустического входа со сдвигом фазы
где ω=2πf — круговая частота, с-1; d—расстояние от первого акустического входа т. е. от передней стороны диафрагмы до второго акустического входа, м; θ — угол падения звуковой волны, град; с0 — скорость звука, м*сек-1.
Далее на пути от отверстий, второго акустического входа до задней поверхности диафрагмы звуковая волна получает также сдвиг фазы, величина которого зависит от параметров акустической системы микрофона.
В зависимости от асимметрии воздействия звукового давления на обе стороны звукоприемной поверхности, микрофон будет иметь различные формы характеристики направленности, т. е. различную чувствительность на данной частоте в зависимости от угла падения звукового давления.
В общем случае характеристика направленности R(Θ), т. е. отношение чувствительности микрофона при падении звуковой волны под углом θ к чувствительности под углом 0°, выражается уравнением
где А — параметр, определяющий форму характеристики направленности, θ — угол падения звуковой волны. При различных значениях А получается различная форма характеристики направленности, так:
Микрофон с косинусоидальной характеристикой направленности, т. е. двусторонне направленный, иногда называют микрофоном градиента давления. Микрофон с кардиоидной, суперкардиоидной и гиперкардиоидной характеристиками направленности называется односторонне направленным или комбинированным. Последнее название он получил потому, что раньше для создания односторонне направленных микрофонов электрически соединяли микрофон давления и микрофон градиента давления и заключали их в общий корпус. Современные односторонне направленные микрофоны имеют один электроакустический преобразователь с двумя или более акустическими входами для доступа звукового давления к приемному элементу — диафрагме.
Схематический поперечный разрез электроакустического преобразователя остронаправленного микрофона:
Односторонне направленные микрофоны характеризуются тем, что они имеют интегральную чувствительность в передней полусфере больше интегральной чувствительности в задней полусфере. Максимальное отношение этих величин имеет так называемый остронаправленный микрофон. Он состоит из звукоприемного элемента, представляющего собой трубку с отверстиями или прорезями вдоль ее длины, закрытыми тканью 2. Трубка плотно примыкает к односторонне направленному микрофону 3 (либо электродинамического катушечного, либо конденсаторного типа). Трубка с отверстиями является своеобразной линией задержки, так как при падении звуковых волн под углом 0 к ее оси звуковое давление через каждое отверстие достигает диафрагмы микрофона с различными сдвигами фаз, вследствие чего звуковое давление будет ослаблено по сравнению с давлением, действующим на диафрагму микрофона при падении шумовых волн вдоль оси трубки. Сдвиг фазы звукового давления от различных отверстий трубки
φ=((ω*di)/cθ)*(1-cosθ)
где dі — расстояние от начала трубки до i-го отверстия, ω — круговая частота, С0 — скорость звука.
На низких частотах сдвиг фазы звукового давления, достигшего приемного элемента микрофона, от отверстий трубки, будет очень мал и поэтому частотная характеристика направленности будет определяться только ЧХН самого микрофона. На средних и высоких частотах ЧХН определяется параметрами трубки, при этом ткань на отверстиях трубки является акустическим сопротивлением. Для обеспечения ЧХН и ЧХЧ сопротивление отверстий трубки должно увеличиваться по мере приближения к микрофону.
Ленточный микрофон является вторым вариантом микрофонов электродинамического типа. Микрофон состоит из магнитной системы 1, в воздушном зазоре которой расположена подвижная система, представляющая собой легкую тонкую гофрированную ленточку 2. Магнитная система представляет собой два плоских бруска, расположенных друг против друга противоположными полюсами и контактной системы 3, которая служит и креплением ленточки. Ленточка изготовляется из алюминиевой фольги толщиной 1...2 мкм. Ширина ленточки составляет 2...3 мм, а длина 40...50 мм. При воздействии на ленточку переменного звукового давления она начинает колебаться и пересекает магнитные силовые линии, при этом в ней индуцируется ЭДС, величина которой очень мала. Поскольку сопротивление ленточки невелико, все ленточные микрофоны имеют повышающий трансформатор.
Схематический поперечный разрез электроакустического преобразователя электродинамического ленточного
микрофона:
В зависимости от того, какую ЧХН хотят придать микрофону, задняя сторона леиточки нагружается на различную акустическую нагрузку. Если задняя сторона ленточки полностью открыта, то микрофон имеет двусторонне направленную ЧХН. Такой микрофон называют градиентным. Если задняя сторона ленточки полностью закрыта звукопроводом 4, т. е. микрофон имеет только одни акустический вход, то он становится ненаправленным, пока его размеры малы по сравнению с длиной волны.
Если в звукопроводе имеется отверстие 5 и объем с задней стороны ленточки нагружен на «лабиринт» 6, то в зависимости от соотношений параметров перечисленных элементов микрофон может иметь ЧХН любой промежуточной формы, в частности кардиоиды, суперкардиоиды, гиперкардиоиды. «Лабиринт» является многозвенным акустическим фильтром. Его электрическим аналогом является фильтр, состоящий из нескольких звеньев последовательно соединенных индуктивностей с активным сопротивлением и параллельно включенных емкостей.
Конструкция ленточных микрофонов значительно проще катушечных, но по надежности они уступают последним из-за недостаточной механической прочности ленточки, поэтому они реже используются, чем катушечные.
Следующим вариантом электродинамических микрофонов являются так называемые ортодинамические или изодинамические. В отечественной бытовой технике они еще не нашли применения. В микрофонной мировой технике рекламируются такие конструкции.
Схематический поперечный разрез электроакустического преобразователя ортодинамического микрофона: 1 - магнитная система; 2 — подвижная система.
Схематический поперечный разрез капсюля ортодинамического микрофона представлен на рисунке выше, где 1 — магнитная система, состоящая из двух одинаковых перфорированных магнитов с расположением полюсов, как показано на этом рисунке. Между магнитами размещается подвижная система 2, представляющая собой пленку, на которой фотолитографическим методом изготовлена плоская катушка спиралевидной формы. Витки плоской катушки находятся в поле рассеяния магнитной системы, поэтому чувствительность такого микрофона значительно меньше, чем ленточного и катушечного, Изодинамический преобразователь отличается от ортодинамического только конфигурацией мембраны, звуковой катушки я магнитов.
С начала 70-х годов стали широко применяться конденсаторные электретные микрофоны. Эти микрофоны по удобству эксплуатации незначительно уступают электродинамическим катушечным, так как хотя они и требуют предварительного усилителя л источника питания, но оба эти элемента встроены в корпус микрофона, а источник питания может работать непрерывно, без замены, длительное время — порядка года.
Капсюль микрофона представляет собой плоский конденсатор с воздушным зазором, одной из обкладок которого является тонкая эластичная мембрана 1, второй обкладкой — неподвижный электрод (НЭ) 2. В качестве мембраны используется диэлектрическая фторполимерная пленка Ф4МБ-2, поляризованная и металлизированная с одной стороны. Пленка в натянутом состоянии приклеена металлизированной стороной к металлическому кольцу 3, Мембрана является электретом, так как способна длительное время сохранять величину заряда, нанесенного на неё во время поляризации, причем наиболее стабильным для пленки Ф4МБ-2 является отрицательный заряд. Неподвижный электрод изготавливается из изоляционного материала с большим объемным и поверхностным сопротивлением и малым коэффициентом линейного расширения. Со стороны мембраны НЭ металлизируется, и этот металлический слой и металлический слой на мембране являются обкладками конденсатора. У большинства отечественных электретных микрофонов НЭ изготавливаются из композиционного материала. В середине НЭ, изготовленного из композиционного материала, опрессована металлическая втулка 4 с внутренней резьбой. Втулка служит для осуществления контакта с металлическим слоем на НЭ и для крепления с помощью винта контактного лепестка или еще каких-либо деталей, если они входят в акустическую систему микрофона. Большинство конструкций НЭ отечественных электретных микрофонов со стороны мембраны имеют углубления 5, служащие для увеличения гибкости воздуш
Схематический поперечный разрез электроакустического преобразователя конденсаторного электронного микрофона:
Схематический поперечный разрез капсюля конденсаторного электретного микрофона показан на рис. 4.7. Капсюль микрофона представляет собой плоский конденсатор с воздушным зазором, одной из обкладок которого является тонкая эластичная мембрана 1, второй обкладкой — неподвижный электрод (НЭ) 2. В качестве мембраны используется диэлектрическая фторполимерная пленка Ф4МБ-2, поляризованная и металлизированная с одной стороны. Плен¬ка в натянутом состоянии приклеена металлизированной стороной к металлическому кольцу 3, Мембрана является электретом, так как способна длительное время сохранять величину заряда, нанесенного на неё во время поляризации, причем наиболее стабильным для пленки Ф4МБ-2 является отрицательный заряд. Неподвижный электрод изготавливается из изоляционного материала с большим объемным и поверхностным сопротивлением и малым коэффициентом линейного расширения. Со стороны мембраны НЭ металлизируется, и этот металлический слой и металлический слой на мембране являются обкладками конденсатора. У большинства отечественных электретных микрофонов НЭ изготавливаются из композиционного материала. В середине НЭ, изготовленного из композиционного материала, опрессована металлическая втулка 4 с внутренней резьбой. Втулка служит для осуществления контакта с металлическим слоем на НЭ и для крепления с помощью винта контактного лепестка или еще каких-либо деталей, если они входят в акустическую систему микрофона. Большинство конструкций НЭ отечественных электретных микрофонов со стороны мембраны имеют углубления 5, служащие для увеличения гибкости воздушного зазора между мембраной и НЭ, образованного изоляционным кольцом 6. Электретная мембрана создает в воздушном зазоре между мембраной и НЭ электрическое поле, напряженность которого прямо пропорциональна напряженности поля между поверхностями электрета и обратно пропорциональна высоте воздушного зазора.
Под действием электрического поля мембрана прогибается. Для устойчивой работы микрофона прогиб мембраны должен быть не более 0,2 высоты воздушного зазора (расстояние между мембраной и неподвижным электродом). Отсюда ясно, что напряженность поля мембраны не должна превышать допустимого предела. Емкость современных конденсаторных микрофонов в зависимости от их размеров находится в пределах от нескольких микрофарад до десятков микрофарад. Следовательно, внутреннее сопротивление капсюля микрофона на нижней частоте номинального диапазона 30 Гц лежит в пределах 100...400 МОм, что значительно больше, чем входное сопротивление микрофонного усилителя бытовой радиоэлектронной аппаратуры.
Схема распределения заряда в капсюле электронного микрофона: -σ и +σ — заряды на повер¬хности электретной пленки: —σинд и +σинд — заряды в металлических слоях электретной пленки и НЭ соответственно; Е — напряженность электрического поля поляризации
Согласование высокого выходного сопротивления капсюля с низким входным сопротивлением микрофонных усилителей выполняет предварительный усилитель микрофона, имеющий коэффициент усиления, обычно меньше 1,0. Предварительный усилитель конденсаторных электретных микрофонов для бытовой техники, как правило, представляет собой микросхему на полевом транзисторе. Для питания предварительного усилителя служит батарея питания, встраиваемая в корпус микрофона. Если же микрофон встраивается в магнитофон или магнитолу, то напряжение питания подводится к предварительному усилителю от источников питания этих аппаратов. В зависимости от конструкции и параметров акустической системы конденсаторные электретные микрофоны могут иметь различные ЧХН. Если микрофон имеет один акустический вход и звуковое давление действует только на переднюю сторону мембраны, то такой микрофон будет иметь ЧХН в виде круга.
Боковые стенки корпуса направленного конденсаторного электретного микрофона имеют прорези для обеспечения свободного доступа звукового давления к задней стороне мембраны, которую звуковая волна достигает, пройдя через прорези, отверстия 7 в шайбе 8, щель 9 между НЭ и шайбой, отверстия 10 в дне НЭ, углубления в НЭ и воздушный зазор. Таким образом, в таком капсюле обеспечено наличие двух акустических входов, расположенных друг от друга на расстоянии d. Звуковая волна, пройдя это расстояние, получает сдвиг фазы
где ω— круговая частота; со — скорость звука.
В зависимости от соотношения внешнего и внутреннего сдвига фазы, который звуковая волна получает на фазосдвигающей цепи акустической системы капсюля, образованной перечисленными выше конструктивными элементами, капсюль микрофона будет иметь различные тенденции ЧХЧ и формы ЧХН. Капсюль крепится либо к основанию переднего, либо к основанию заднего корпуса, в котором размещается предварительный усилитель, батарея питания выходной трансформатор и детали крепления выходного кабеля. Если капсюль используется для микрофона ближнего действия («ручного» микрофона), тс он крепится к основанию через амортизационную прокладку, чтобы уменьшить воздействие вибраций на мембрану микрофона. В этом случае капсюль заключается во второй корпус, изготовленный, как правило, из нескольких слоев сеток, которые отчасти предохраняют мембрану микрофона от воздействия ветровых потоков. Основной защитой от ветровых потоков служит колпачок, одеваемый на корпус капсюля, изготовленный из пористого пенополиуретана, или нескольких слоев сеток, между которыми закреплен либо тонкий слой пористого пенополиуретана, либо слой ткани.
В последнее время все чаще рекламируются конденсаторные электретные микрофоны, у которых электретом служит электретная пленка, присоединенная к НЭ, а мембраной — тонкая, полиэтилентерефталатная пленка. Такая конструкция электретного микрофона, имеет ряд существенных преимуществ перед микрофоном с электретной мембраной. Эти преимущества заключаются в уменьшении массы мембраны примерно в 3—3,5 раза, а следовательно, и вибровосприимчивости микрофона. Кроме того, уменьшается зависимость чувствительности микрофона от изменения температуры окружающей среды. Все эти преимущества обусловлены тем, что пленка полиэтилентерефталатная (тереленовая) имеет примерно в 1,7 раза меньший удельный вес по сравнению с фторполимерной пленкой, одинаковые механические свойства во всех направлениях, в то время как у фторополимерной пленки они отличаются примерно в 2 раза во взаимноперпендикуляриых направлениях. Механическая прочность полиэтилентерефталатной пленки примерно в 5 раз больше, чем у фторполимерной. Совокупность этих свойств полиэтилентерефталатной пленки позволяет применять мембрану в 2 раза меньшей толщины и тем самым получить равномерную частотную характеристику чувствительности до более высоких частот, т. е. параметры, равноценные параметрам высококачественных конденсаторных микрофонов с внешним источником напряжения поляризации, предназначенным для профессиональных целей. Микрофоны с электретным слоем на НЭ принято у нас называть конденсаторными микрофонами с массивным электретом (МЭ). Характерным для большинства этих микрофонов является то, что МЭ изготавливаются на металлической перфорированной подложке. В качестве подложки для МЭ можно применять и изоляционный материал с последующей металлизацией со стороны присоединения к нему электретной пленки.
Известны микрофоны, предварительный усилитель которых представляет собою бескорпусную интегральную схему, закрепленную на подложке МЭ. Такая конструкция предварительного усилителя используется для миниатюрных конденсаторных микрофонов, встраиваемых в бытовую радиоэлектронную аппаратуру.