Главная » Звук
Призовой фонд
на октябрь 2020 г.
1. 1500 руб
Сайт Паяльник
2. Тестер компонентов MG328
Сайт Паяльник
3. 150 руб.
От пользователей


Набор из XH2.54 разъемов

Микрофоны - разновидности, свойства, применение

Оригинал статьи   © Rod Elliott (ESP) — 2006

1.0 Введение

Зачастую сложно разобраться с многообразием существующих микрофонов, поэтому целью данной статьи является предоставление основных сведений о различных их типах, особенностях работы, а также сопряжении с подходящим предусилителем. Было бы, конечно, заманчиво объяснить заодно и принципы работы микрофонов, их правильное использование и т.п., однако, эти вопросы рассматриваться не будут. Причин несколько, но главная из них заключается в том, что существует такое множество нюансов, что просто невозможно охватить их все.

Вместо этого основное внимание будет уделено основным принципам работы каждого из типов, его достоинствам и недостаткам. Хотя приведенная информация выглядит достаточно подробной, есть (и останется) несколько упущений. Например, не будут рассматриваться угольные микрофоны, поскольку в новом оборудовании они больше не используются. Не получат подробного объяснения и «экзотические» микрофоны (такие, к примеру, как узконаправленный).

Относящиеся к микрофонам термины «Направленный», «Кардиоидный», «Всенаправленный» (или просто «Омни»), «Гипер- (или «Супер-) -кардиоидный» и т.п. характеризуют диаграммы их направленности, хотя эти термины иногда применяются излишне вольно. Направленность всех микрофонов зависит от частоты и становится сферической (всенаправленной) с уменьшением частоты. Однако, из этого принципа существуют исключения, которые будут рассмотрены дальше.

Микрофон является важной частью системы передачи звука (музыки) от исполнителей к нам в жилища для прослушивания. Микрофоны также используются для усиления звука, гарантируя, что мы можем услышать все нюансы концерта (а также зачастую гарантируя, что в течение нескольких часов после этого мы будем очень плохо слышать). Правильный выбор и размещение микрофона во время записи сводит к минимуму необходимость корректировки эквалайзером, потому что звук уже будет соответствовать намерениям звукорежиссера.

Эта статья сосредоточена, в основном, на исполнительских микрофонах, а не применяемым для тестирования и измерений. Последние являются почти исключительно «настоящими» конденсаторными либо электретными. Почти все измерительные микрофоны являются всенаправленными. Направленные микрофоны не используются потому, что их реакция непредсказуема (особенно для низких частот), тогда как SPL/УЗД (sound pressure level / Уровень Звукового Давления) должен включать звук, приходящий со всех сторон. Измерительные микрофоны являются отдельной темой и упоминаются здесь только мимоходом.

2.0 Основные характеристики микрофонов

Хотя разнообразие различных микрофонов выглядят устрашающим, все их характеристики базируются на общих принципах: это диаграмма направленности и тип (конструкция) преобразователя. Почти каждый промышленно выпускаемый микрофон определяется этими двумя параметрами, список которых приведен ниже.

2.1 Диаграммы направленности

Характеристика направленности микрофонов определяются капсюлем (или капсюлями в случае микрофонов с двумя капсюлями). Вопреки некоторым утверждениям, микрофон любого типа может быть настроен на любую из перечисленных ниже диаграмм направленности. Характеристики направленности зависят от частоты и относятся к амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) в свободном поле. Размещение микрофона очень близко к любой поверхности изменяет его направленность, которая становится непредсказуемой из-за почти бесконечного множества вариантов. Направленные микрофоны называются также микрофонами «градиента давления», поскольку характеристики их направленности создаются посредством изменения давления на переднюю и заднюю части диафрагмы (градиент давления).

На рисунках ниже положение микрофона показано точкой.

Всенаправленный:

Всенаправленный микрофон

Принимает звук (более или менее) одинаково с любого направления. Всенаправленность относится к частотной характеристике, по существу, плоской, независимо от направления поступающих звуковых волн. Всенаправленные микрофоны часто могут иметь меньшие проблемы с акустической обратной связью по сравнению с большинством кардиоидных, но это сильно зависит от их правильного применения. Всенаправленные микрофоны имеют минимальный эффект близости и (как правило) лучше подходят для записи инструментов. Эти микрофоны обычно не используются для «живого звука», отчасти из-за ограниченного понимания их возможностей.

Измерительные микрофоны исключительно всенаправленные, без каких-либо существенных исключений, которые я мог бы найти. Иногда они могут быть расположены в виде массива для получения требуемых характеристик направленности, но это характерно только для измерений в инфразвуковом диапазоне, используемом для обнаружения вулканической активности или пусков ракет.

Кардиоидный:

Кардиоидный микрофон

Наиболее распространенная диаграмма направленности. Эти микрофоны обычно обладают эффектом близости, окрашивающим и усиливающим басовый диапазон вокала с близкого расстояния. Различные кардиоидные микрофоны могут подойти певцам мужского и женского пола. Певцы должны иметь собственный микрофон и владеть техникой его использования так же, как музыканты владеют своими инструментами. Кардиоидные микрофоны часто неправильно используются для записи инструментов, обычно располагая в непосредственной близости от поверхности барабанов (среди прочих злоупотреблений). Естественно, это может оказаться правильным, если обеспечивает определенный, желаемый вами, звук.

Гиперкардиоидный:

Гиперкардиоидный микрофон

Это расширенная версия кардиоидного микрофона, поэтому она более направленная. Побочным эффектом является то, что в задней части микрофона создается небольшой выступ, поэтому эти микрофоны никогда не следует устанавливать так, чтобы задний выступ был направлен на напольный монитор (к примеру). Некоторые авторы иногда различают «супер-» и «гипер-» кардиоидные микрофоны, но в других источниках они считаются эквивалентными.

Двунаправленный («восьмиобразный»):

Восьмиобразный микрофон

Двунаправленный микрофон («восьмерка») одинаково хорошо воспринимает звук как спереди, так и сзади, но подавляет звук, поступающий с боков (а также сверху, снизу и т.д.). Эту диаграмму можно рассматривать, как максимально выраженную гиперкардиоиду, где передняя и задняя доли равны по амплитуде и частотной характеристике. Многие двухэлементные микрофоны объединяют всенаправленный и двунаправленный капсюли для обеспечения переключаемой направленности.

2.2 Типы преобразователей

В основе каждого микрофона лежит преобразователь — просто механизм, преобразующий одну форму энергии в другую. Источником (входом) энергии является звуковой сигнал, а выходом — электрический. Форма полученного электрического сигнала повторяет акустический входной сигнал с минимально возможными искажениями. Все направленные микрофоны должны (по определению) до некоторой степени изменять воспринимаемый звук. Невозможно изменить характеристики направленности, не изменяя при этом характер воспринимаемого звука. Это не обязательно «плохо», просто звук становится другим.

Аналогично, многие типы капсюлей (фактически преобразователей) имеют свою собственную звуковую окраску, будь она то ли реальна, то ли воображаема. Это часто влияет на выбор типа микрофона для различных задач — например, есть микрофоны, предпочтительные для басовых ударных (барабанов) и которые могут считаться неподходящими для восприятия чего-либо ещё. Однако, эксперименты часто показывают, что это не обязательно именно так.

Конденсаторный:

Их правильнее называть ёмкостными микрофонами. Обычно они считаются наиболее востребованными. Они обладают исключительной детализацией и, как правило, могут выдерживать очень высокие уровни звукового давления. Искажения очень низкие, потому что амплитуда движения диафрагмы очень мала (сравнима с амплитудой движений барабанной перепонки человеческого уха). Для поляризации «пластин» конденсаторного датчика чаще всего применяется высокое постоянное напряжение, хотя в некоторых из них изменение емкости служит для модуляции генератора высокой (радио-) частоты. Частотно-модулированная «несущая» подается затем на каскад детектирования для преобразования обратно в сигнал звуковой частоты. Другой тип конденсаторных микрофонов называется MEMS (микроэлектромеханические системы), в которых для обеспечения поляризующего напряжения обычно применяется зарядовый насос (схемы с накачкой заряда на переключаемых конденсаторах).

Для конденсаторных микрофонов (всех типов) требуется питание. Оно может подаваться через P48 (фантомное питание + 48 В) от микшерного пульта или от внешнего источника питания. Электретные и MEMS-микрофоны требуют низкого напряжения питания (от 1,2 до 5 В) и, как правило, запитываются от оборудования, в котором они установлены, либо от одной батареи напряжением 1,5 В (обычно для автономных электретных микрофонов).

В аудио-индустрии изо всех конденсаторных микрофонов самым известным, по-видимому, является «Neumann U47».

Динамический:

Конструкция динамического микрофона подобна конструкции воспроизводящих динамических головок. Большинство этих микрофонов прочные и способные воспринимать экстремальные уровни звука. Они идеально подходят для «живых» выступлений. Большинство из них имеют кардиоидную характеристику направленности, хотя доступны также всенаправленные и гиперкардиоидные типы направленности. Из всех типов, используемых в живой работе, динамические микрофоны являются наиболее распространенными. Так же часто они используются и для студийных записей. Одним из самых известных является почтенный «Shure SM58».

Эти микрофоны, как правило, очень прочные и способны справляться со многими злоупотреблениями, неприемлемыми для почти любого другого типа микрофонов. Идеальный динамический микрофон имеет низкоимпедансную звуковую катушку, нагруженную на небольшой трансформатор для обеспечения необходимого уровня выходного сигнала и импеданса. Высокоимпедансные звуковые катушки хрупкие и не способны справляться с грубым обращением, характерным для живых выступлений.

Электретный:

В микрофонах, называемых «электретным конденсатором», используется постоянно «заряженная» пластиковая мембрана, поэтому они не требуют высокого напряжения для её поляризации (как в случае с «настоящими» конденсаторными микрофонами). Большинство из них являются всенаправленными, хотя изготавливаются также и кардиоидные капсюли. Как и в конденсаторных микрофонах, важное значение имеет каскад преобразования импеданса из-за чрезвычайно высокой его собственной величины. Хотя электретные микрофоны и могут использоваться для работы на сцене, при высоком уровне звукового давления (УЗД) они могут вносить искажения. Загнать электретные микрофоны в значительные искажения способны многие вокалисты. На них также могут отрицательно повлиять температура и влажность (например, от дыхания вокалистов). Профессиональные электретные микрофоны отлично подходят для студийных записей.

Электретные микрофоны (известные также, как «предварительно поляризованные») в настоящее время очень распространены для измерителей уровня звука и других точных измерений. Во многих из таких микрофонов внутренний полевой транзистор не используется, полагаясь на внешний предусилитель, обеспечивающий входной импеданс в несколько ГОм, необходимый для измерения низких частот. Емкость миниатюрного капсюля очень мала, часто не более 10 пФ. Чтобы снизить частоту до 20 Гц, входной импеданс предусилителя должен составлять около 1 ГОм (1000 МОм).

Ленточный:

Они обычны для студий звукозаписи, но в живой работе используются меньше, потому что сравнительно хрупкие. Очень тонкая (обычно алюминиевая) лента подвешена в сильном магнитном поле и при перемещении звуковыми волнами генерирует небольшой ток. Ленточные микрофоны имеют чрезвычайно низкий импеданс, обычно намного менее 1 Ом. Для повышения импеданса (и выходного напряжения) до приемлемого уровня используется трансформатор. Хотя диаграмма направленности ленточных микрофонов по определению двунаправлена («восьмерка»), они также существуют с кардиоидной или гиперкардиоидной направленностью. Микрофоны типа «Плоская лента» — это вариант ленточных. В них используется тонкая мембрана с нанесенной на неё плоской (планарной) катушкой.

Угольный:

Эти микрофоны были в прошлом очень распространены — по одному такому стояло в каждом телефоне старой конструкции. Угольный микрофон имеет одно важное преимущество перед любым другим типом — он усиливает сигнал! Эти микрофоны нуждаются в питании, обеспечиваемом телефонной линией. Усиление микрофона таково, что для нормального телефонного разговора не требуется дополнительного усиления даже на значительном расстоянии. На заре телефонии для работы телефонной сети это было настолько важно, что если бы не угольный микрофон, то телефон никогда не стал бы полезен (не говоря уже о получении признания). Дешевое и надежное усиление в настоящее время сделало их ненужными. В качестве краткого примечания стоит упомянуть, что телефонная система использует питание 48 В (см. фантомное питание ниже).

2.3 Технические характеристики

Уровень выходного сигнала микрофонов в идеале должен быть оценен в милливольтах на Паскаль (мВ/Па), хотя существует много иных вариантов. Другие используемые соглашения включают дБм при 0,1 Па (это число всегда будет отрицательным). Все новые микрофоны, как правило, должны быть рассчитаны в дБВ на Па, где 0 дБ = 1 В. Например, можно констатировать чувствительность микрофона, как минус 44 дБВ (ссылка на 1 Па иногда только подразумевается), что переводит к 6,31 мВ на 94 дБ УЗД (SPL). В некоторых странах могут сохраняться и другие стандарты.

1 Па = 10 мкБар = 94 дБ УЗД
0,1 Па = 1 мкБар = 74 дБ УЗД
1 дин/см² = 0,1 Па = 1 мкБар

Существуют также такие оценочные параметры, как уровень шума (они сильно различаются как по выходному шуму, так и по тому, как он указан), выходное сопротивление, рекомендуемое сопротивление нагрузки, диаграмма направленности, АЧХ и т.д. Без графика, показывающего фактическую АЧХ, заявления о неё не имеют смысла, а для направленных микрофонов необходимо также указывать расстояние между источником звука и микрофоном. В этом отношении особенно плохи спецификации к дешевым микрофонам, в которым нередко можно видеть частотную характеристику, указанную (к примеру) как 50…20000 Гц. Поскольку не приведены больше никакие другие ограничения (например, по уровню ± 3 дБ), она лишена смысла — на этот частотный диапазон будет реагировать любой микрофон, но возможно, что с завалом минус 20 дБ на крайних значениях с большими колебаниями уровней выходного сигнала между ними.

Надлежащий график, показывающий отклик на всех частотах, быстро покажет фактическую АЧХ, хотя многие производители микрофонов общего назначения нередко не указывают расстояние между микрофоном и источником звука или метод, используемый для измерения.

Диаграмма направленности также покажет направленность относительно сетки различных частот. Когда частота уменьшается, диаграмма направленности обычно приближается к всенаправленной, хотя некоторые микрофоны сохраняют превосходную направленность даже на очень низких частотах (секрет заключается в задней камере).

3.0 Подтипы микрофонов

Существуют микрофоны, которые, как кажется, существенно отличаются от описанных выше. Однако, это не так, поскольку основные характеристики и типы преобразователей не изменяются, просто добавляются (либо изменяются) различные дополнительные конструктивные или схемотехнические особенности для обеспечения дополнительной функциональности.

Радиомикрофоны (RF):

Они доступны во многих вариантах и профессиональные могут быть очень дорогими. Обычный микрофонный преобразователь, имеющий одну из перечисленных выше характеристик направленности, подключается к небольшому радиочастотному (РЧ) передатчику, поэтому микрофон можно использовать без кабелей. Передатчик для профессиональных радиомикрофонов требует превосходной стабильности частоты, а приемники являются узкоспециализированными, чтобы не допускать выпадения сигналов и в любое время поддерживать хорошее соотношение сигнал/шум (SNR).

Раньше эти микрофоны для их правильного применения требовали специальных знаний и опыта, но сейчас стали обычным явлением и проблемы с ними возникают лишь у немногих людей. У многих микрофонов есть автоматическое ограничение и компрессирование, которыми нужно правильно управлять, потому что компрессирование ограничивает динамический диапазон голоса хороших певцов, заставляя их звучать сравнительно ровно и безжизненно.

Микрофоны зоны давления (PZM™):

Микрофон зоны давления (Pressure Zone Microphone) известный также, как граничный микрофон — это электретный микрофон специального применения. Миниатюрный электретный датчик смонтирован на небольшом расстоянии (обычно менее 1 мм) от плоской пластины и обращен к ней. Они часто используются на полу или стенах, столах (для конференций и т.п.), но могут быть прикреплены также к большим плоским дискам или пластинам. Они обладают исключительными характеристиками и при осторожном использовании могут эффективно уменьшать реверберацию.

Существует несколько вариантов этой техники, предусматривающих использование одного стереомикрофона, дешевые «подделки» производства Radio Shack (Tandy в Австралии), называемые граничным микрофоном, но без характеристик настоящего PZM, а также несколько других моделей.

Манекенная микрофонная система:

Метод манекенной микрофонной системы обеспечивает исключительные характеристики, но запись может дать полный эффект только при прослушивании через наушники. Электретные микрофонные капсюли либо встраиваются в настоящую пустышку (можно использовать парики… познакомьтесь с Йориком ниже), либо миниатюрные капсюли звукорежиссер носит в ушах. При воспроизведении через наушники, по существу, восстанавливается исходное звуковое поле и слушатель слышит звук, как если бы он был там «внутри».

Привлекательность этого метода ограничивается необходимостью в наушниках.

Узконаправленный:

Узконаправленные микрофоны достойны для себя полноценной статьи. Обычно довольно длинные, они имеют экстремальную диаграмму направленности и, как правило, воспринимают звук только в непосредственной близости от оси направленности микрофона. Есть несколько способов сделать микрофоны узконаправленными. Конструкция включает длинный «ствол» с прорезями, предназначенными для создания интерференционной картины, подавляющей звук со стороны и многоэлементные конструкции с фазовым и амплитудным балансом между элементами. Старый метод заключался в использовании нескольких тонких трубок разной длины, при том, что самая длинная находится в центре и окружена маленькими трубками.

Некоторые узконаправленные микрофоны используют комбинацию методов, а также специально выполненную заднюю камеру микрофонного капсюля. Эти микрофоны полезны для локальной записи звука (для фильмов или телевидения), записи природы и в любом другом месте, где требуется очень точное позиционирование.

4.0 Особенности конструкций

Изложенное ниже предназначено для представление об основных составных частях микрофонов. Это основные конструктивные узлы и, хотя некоторые микрофоны (например, динамические) можно использовать без дополнительных схем, кроме небольшого трансформатора (не всегда применяемого), для большинства других могут потребоваться дополнительные компоненты.

Поскольку динамический микрофон является одним из самых распространенных (или так может показаться непосвященным), он и будет рассмотрен в первую очередь.

Конструкция динамического микрофона

Рис. 1 Конструкция динамического микрофона

Обобщенная конструкция динамического микрофона показана на Рис. 1. Диафрагма соединена со звуковой катушкой, подвешенной в сильном магнитном поле. Когда диафрагма (и, следовательно, катушка) движется согласно с воздействующими на нее звуковыми волнами, в катушке генерируется электрический ток. В идеальном микрофоне электрический ток будет точной копией акустического сигнала, но на самом деле это не так.

Показанный элемент (известный также, как капсюль) имеет вентиляционное отверстие (обозначенное звёздочкой «*»). Обычно это делается для создания требуемой характеристики направленности. Для всенаправленного динамического микрофона задняя часть была бы запечатана. Однако, как и во всех всенаправленных микрофонах, всё равно должно быть небольшое отверстие для выравнивания давления воздуха с обеих сторон диафрагмы. Без вентиляционного отверстия под влиянием колебаний атмосферного давления она будет смещаться.

Как можно видеть, эта конструкция очень похожа на небольшой динамик и, действительно, динамик будет работать как микрофон (а динамический микрофон может также воспроизводить звук). Естественно, что и динамик и микрофон оптимизированы для их предполагаемого применения и ни один не работает особо хорошо, если полностью изменить его роль. Динамик в качестве микрофона используют 99% систем внутренней связи (интеркомов).

Типичные динамические микрофоны имеют сопротивление около 150…300 Ом, хотя для некоторых из них оно выше или ниже этого значения. Хотя может показаться заманчивым согласование импеданса микрофона и предусилителя, но так делать не рекомендуется, т.к. это снизит уровень сигнала на 6 дБ и, таким образом, уменьшит отношение сигнал/шум.

Конструкция ёмкостного микрофона

Рис. 2 Конструкция ёмкостного микрофона

Ёмкостный микрофон намного проще механически, но для хороших характеристик решающее значение имеет качество применяемых материалов. Поскольку емкость очень мала, то сопротивление изоляции должно быть очень высоким, равно как и входное сопротивление следующего каскада. Нередко входное сопротивление каскада преобразования полного сопротивления превышает 1 ГОм.

Хотя показанный на Рис. 2 капсюль снабжен демпфирующим материалом, в действительности это не всегда так. Расстояние между диафрагмой и задней частью корпуса может быть достаточно маленьким, чтобы не возникало вредных эффектов в пределах звукового диапазона. Как и во всенаправленном динамическом микрофоне, для выравнивания давления воздуха предусмотрено вентиляционное отверстие.

Для того, чтобы микрофон работал, задняя панель должна быть поляризована. Для обеспечения приемлемого уровня сигнала может быть недостаточно даже 48 В фантомного напряжения. Для некоторых моделей может потребоваться напряжение до 200 В. Это накладывает существенные ограничения на изоляцию и означает, что такие микрофоны могут подвергаться неблагоприятному воздействию влаги.

В некоторых случаях капсюль микрофона может иметь две диафрагмы, каждая из которых расположена как можно ближе к задней панели. Это создаст микрофон с двунаправленной диаграммой направленности («восьмерка»). Такой всенаправленный сигнал может оказаться сюрпризом, поскольку звук, приходящий к задней части микрофона, экранирован от диафрагмы самим микрофоном, однако, такое применимо лишь на очень высоких частотах. Многие микрофоны Neumann используют капсюль с двойной диафрагмой и переключают одну из них, чтобы изменить характеристику направленности с кардиоидной на двунаправленную.

Диафрагма ёмкостных микрофонов должна быть проводящей, поэтому обычно используют металлизированную пластиковую пленку (популярен лавсан). Металлизированная пленка должна быть защищена от влаги, поэтому может находиться внутри капсюля. Почти во всех случаях капсюль будет иметь крошечное отверстие для прохождения воздуха, чтобы давление воздуха внутри корпуса соответствовало атмосферному. Если бы этого не было предусмотрено, расстояние между диафрагмой и задней стенкой зависело бы от атмосферного давления.

Электрически ёмкостный микрофон может быть представлен источником сигнала последовательно с ёмкостью, равной ёмкости самого капсюля. Как отмечалось выше, она будет очень низкой. Типичный конденсаторный микрофон (например, Neumann U47) имеет емкость около 80 пФ (см. Список литературы).

Исторически, в течение многих лет, эти микрофоны были известны, как конденсаторные. «Конденсатор» — старый термин для ёмкости.

Конструкция электретного микрофона

Рис. 3 Конструкция электретного микрофона

Электретные микрофоны (иногда их называют «ЭЁМ» — электретный ёмкостный микрофон) работают по тем же общим принципам, что и традиционный ёмкостный микрофон. Вместо поляризующего постоянного напряжения задняя пластина представляет собой электретный материал (т.н. «задний электрет»). Этот материал представляет собой пластик, подвергаемый во время обработки воздействию сильного электрического поля, вследствие чего он постоянно (более или менее) сохраняет заряд. Поверхность электрета должна быть металлизирована, чтобы обеспечить ее проводимость. Некоторые электретные микрофоны в качестве электретного элемента используют диафрагму (и соответствующую заднюю пластину) и, хотя это работает очень хорошо, у них нет неограниченного срока службы. Как указано выше, требуется вентиляция.

Показанный на рисунке полевой транзистор (FET) для потребительских электретных микрофонов почти всегда интегрирован в сам капсюль. Это преобразователь импеданса и в большинстве случаев резистор от затвора к общему проводу (заземление, корпус микрофона) отсутствует. Это одна из причин того, что электретные микрофоны могут плохо реагировать на внезапный громкий звук и на несколько секунд могут потерять чувствительность. Для правильного смещения полевого транзистора цепь его затвора полагается только на поверхностную утечку.

Хотя выше заявлялось, что динамические микрофоны кажутся наиболее распространенными, их уверенно перешибают электретные. Электретные микрофоны используются во всех современных телефонах, в том числе в мобильных телефонах (т.н. сотовые телефоны), автоответчиках, компьютерных гарнитурах и практически любом электронном оборудовании, воспринимающем голосовые команды, шум и т.д. Электрет был самым успешным из когда-либо разработанных микрофонных капсюлей — каждый год их производится более 100 миллионов! Тем не менее, в последнее время начинают доминировать микрофоны MEMS (см. ниже) и со временем они захватят ещё бо́льшую долю рынка.

Конструкция ленточного микрофона

Рис. 4 Конструкция ленточного микрофона

Ленточный микрофон занимает особое место в сердцах многих звукорежиссеров. Им присуща двунаправленность («восьмерка»), хотя его часто модифицируют, чтобы получить более «традиционные» диаграммы направленности. Поскольку сопротивление ленты очень низкое, во всех таких микрофонах используется трансформатор, чтобы поднять сопротивление и выходное напряжение до более приемлемых уровней. Трансформатор почти всегда находится в том же корпусе, что и сам капсюль микрофона.

Многие из ленточных микрофонов часто бывают хрупкими. Тем не менее, среди них есть и действительно очень надежные. Поскольку в ленточных микрофонах используется относительно большая диафрагма (намного бо́льшая, чем в большинстве других микрофонов), они могут быть очень чувствительными к движению воздуха, даже на дозвуковых частотах.

Однако, высокий уровень звукового давления обычно не влияет на работу ленточного микрофона. При условии, что лента остается внутри зазора, почти ничто не вызывает искажений выходного сигнала ленточного микрофона, кроме упомянутого выше движения воздуха, которого следует избегать. Даже внешне лёгкое движение воздуха может перекосить ленту, которую затем необходимо заменить. Некоторые производители используют «плоские» ленты — такая лента в истинном смысле этого слова лентой не является, а представляет собой  металлизированную катушку, напечатанную на тонкой пластиковой подложке. По литературным данным они очень прочные.

Из-за относительно низкого уровня выходного сигнала (даже после трансформатора) для ленточных микрофонов требуется очень малошумящий предусилитель. У них очень низкий собственный шум, поэтому шум предварительного усилителя может легко превысить шум самого микрофона.

Конструкция микроэлектромеханического (MEMS) микрофона

Рис. 5 Конструкция микроэлектромеханического (MEMS) микрофона

Микрофоны MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) во многих применениях заменяют сейчас электретные. Они изготавливаются с использованием традиционных процессов кремниевого травления, когда слои различных материалов наносятся на кремниевую пластину, а нежелательный материал затем вытравливается. За счёт этого создается подвижная мембрана и фиксированная задняя пластина над полостью в базовой пластине. Задняя пластина капсюля представляет собой жёсткую перфорированную конструкцию, позволяющую воздуху легко проходить через нее, а мембрана — тонкую упругую конструкцию, изгибающуюся в ответ на изменение давления воздуха, вызванного звуковыми волнами.

Изменения давления воздуха, создаваемые звуковыми волнами, заставляют тонкую мембрану изгибаться, в то время, как воздух проходит через перфорации, более толстая задняя пластина остается неподвижной. Движение мембраны вызывает изменение емкости между мембраной и задней пластиной, преобразовывающейся в электрический сигнал с помощью ASIC (специализированная интегральная микросхема). Микрофоны MEMS всегда требуют питания, обычно 3,3 В, с током в несколько сотен мкА.

Микрофоны MEMS являются прочными и почти всегда выполнены в виде SMD (устройства для поверхностного монтажа), что позволяет размещать их на печатной плате вместе с другими SMD-компонентами. В то время, как некоторые из них имеют хороший отклик на низкой частоте, большинство предназначены для использования только с речевыми сигналами. Они могут иметь аналоговый выход, хотя многие обеспечивают цифровой выход в виде модуляции скважности импульсов (PDM/ШИМ), преобразующийся микропроцессором в «традиционный» поток цифровых данных.

Микрофоны MEMS доступны со звуковым портом сверху или снизу. Нижний порт, как показано на чертеже, обеспечивает достаточно большую заднюю камеру, что улучшает низкочастотный отклик и чувствительность. В микрофонах с верхним портом задняя камера очень мала (только размер передней камеры на чертеже), что обычно ведет к снижению чувствительности. Небольшие полости (камеры) действуют также как резонаторы Гельмгольца и могут использоваться для настройки частотной характеристики, особенно на высоких частотах, где размер камеры по сравнению с длиной волны становится существенным. Большинство микрофонов MEMS крошечные, с типичным размером корпуса всего 3 x 4 x 1 мм, а некоторые еще меньше. По мере уменьшения размера корпуса добиться хороших характеристик становится всё труднее, в частности, из-за очень малых размеров задней камеры.

5.0 Схемы включения

Для микрофонов, которым требуется питание, наиболее распространенным вариантом является фантомное питание P48. При этом применяется номинальное постоянное напряжение + 48 В, подаваемое на оба сигнальных провода через резисторы номиналом 6,81 кОм. Хороший пример микрофона с питанием P48 описан в Проекте 93, а Проект 96 описывает источник питания + 48 В и схему подключения P48. Для полноты картины на Рис. 6 показана обобщенная схема системы фантомного питания + 48 В. Хотя резисторы питания показаны номиналом 6,81 кОм, вместо них можно использовать резисторы по 6,8 кОм. Рекомендуется, чтобы они были согласованы с точностью до 0,1%, дабы не было скомпрометировано отклонение синфазного режима.

Фантомное питание P48 (  48 В)

Рис. 6 Фантомное питание P48 (+ 48 В)

Несмотря на то, что напряжение источника фантомного питания было стандартизировано на уровне + 48 В, существует множество источников питания, не соответствующим этим требованиям, работающих при напряжении 30 В или даже ниже. Хотя микрофоны, разработанные для питания P48, могут работать и с этими низковольтными источниками, но они могут и не работать. В общем, источник фантомного питания должен обеспечивать + 48 В. Допустимый диапазон колебаний напряжения для P48 составляет от 38 В до 52 В. Возник «новый» субстандарт, называемый P24 (20 В…26 В), но это (ИМХО) серьезный шаг назад из-за создания потенциально катастрофической несовместимости между конкурирующими стандартами.

Некоторое время назад, в конце 1960-х годов, Neumann (прославленный микрофонами) преобразовал свои ламповые конденсаторные микрофоны в твердотельные. Они определились с системой дистанционного питания, которую назвали «Phantom Power», что составило торговую марку Neumann. Хотя другие производители изначально избегали использования наименования этой торговой марки (вместо этого использовали такие термины, как «симплекс»), со временем термин «фантомное питание» стал общепринятым. Стандарт DIN 45596 описывает питание любого устройства, применяющего схему фантомного питания P48.

Поскольку фантомное питание является синфазным (оно одновременно подается на оба вывода микрофона), подключение балансного динамического микрофона к «активному» каналу микшера с питанием P48, микрофон не повредит. Микрофон может начать издавать странные и/или громкие и/или грубые звуки при ухудшении внутренней изоляции (из-за возраста, заплёвывания слюной, пивом, ромом-колой и т.д. и т.п.). Обычно, если в питании по P48 нет необходимости, его лучше отключать.

Фантомное питание — не единственный способ питания микрофонов. Другой стандарт называется T12, иначе называемый «поперечное питание», «питание A-B», «параллельное питание», а иногда и его полное название «Tonader 12V» (он возник в Германии). За пределами киноиндустрии он обычно не применяется и абсолютно несовместим с питанием P48. Могут быть изготовлены адаптеры, но они требуют применения трансформатора.

Система T12 использует резисторы питания по 180 Ом и источник питания 12 В, но постоянный ток не передается в качестве синфазного сигнала, аналогично фантомному питанию. Что касается разъема микрофона XLR, то положительное постоянное напряжение подается на контакт 2, отрицательное — на контакт 3, а заземление — на контакт 1. Однако, существует и обратная версия, с положительным полюсом на контакте 3 и отрицательным на контакте 2. Динамические микрофоны, скорее всего, повредятся при случайном подключении при включенном питании T12.

Ламповые конденсаторные микрофоны почти всегда требуют специального внешнего источника питания и часто используют многоконтактные разъёмы. Из-за тока, необходимого для накала лампы и составляющего 2…4 мА, питание от P48 для них совершенно не подходит. Эти источники питания будут специфичны для конкретного микрофона — насколько я знаю, у производителей нет и не было стандартов, поэтому каждая модель будет отличаться от других.

6.0 Общие правила применения

Для живых применений количество «открытых» микрофонов (т.е., подключенных и воспринимающих звук) должно быть минимальным. Ненужное использование большого количества открытых микрофонов создает чрезмерные искажения по типу гребенчатого фильтра. Это снижает разборчивость и увеличивает проблемы с обратной связью. Существует множество рекомендаций, которые можно найти, например, могут советовать свести к минимуму количество разных микрофонов. Исключение составляют микрофоны для перкуссии (направленные накладные расходы) и для бас-барабанов (высокая динамическая скорость). Размещение любого микрофона слишком близко к инструменту, источнику звука или поверхности влияет на его реакцию. Этот эффект может быть хорошим или плохим, в зависимости от того, чего вы пытаетесь достигнуть.

В сети есть много сайтов, которые дают общее представление о том, какой микрофон использовать, но это в основном вопрос личных предпочтений. Каждый, кто использует микрофоны, имеет разные идеи относительно оптимального размещения и типа. Некоторые из них являются разумными, некоторые хорошими, а многие (IMHO) просто ошибочными. Существует одна вещь, которая почти никогда не упоминается, — то, что место, куда вы помещаете микрофон, может изменить его характеристики.

Если микрофон расположен очень близко к поверхности (будь то стена, пол, кожа барабана или лицо певца), он больше не будет обладать теми характеристиками направленности, с которыми вы его приобрели. Точно так же, удерживание микрофона таким образом, чтобы рука перекрывала заднюю часть микрофонного шара, изменит диаграмму направленности радикально и непредсказуемо.

Существует также кое-что, многим не совсем понятное — а именно, какой уровень выходного сигнала можно получить от микрофона. Типичный динамический микрофон легко способен выдавать 0,5 В (500 мВ) среднеквадратичного значения, если его держать близко ко рту и громко в него петь (или в моем случае кричать). Это может показаться экстремальным, но посмотрите, в качестве примера, на спецификацию SM58: при 1 Па УЗД (94 дБ) выходной сигнал составит 1,85 мВ, поэтому при 114 дБ УЗД получается уже 185 мВ — на близком расстоянии громко кричать может любой. Наконец, при УЗД чуть ниже 123 дБ вы получите 500 мВ. Хотя это может показаться довольно экстремальным, но таких уровней с близкого расстояния могут достигать многие вокалисты. Правильная техника пользования микрофоном включает в себя «отстранение» от микрофона при громком пении и сближение для мягких пассажей. Это естественный «компрессор» вокалиста, но многие певцы вообще не имеют никакой техники пользования микрофоном (кажется, что все больше людей не имеют вообще никакой техники пения, но это уже другой вопрос).

На этих уровнях вы можете полностью забыть об использовании электретных микрофонов, т.к. они будут сильно искажать. Поскольку их чувствительность намного выше, чем у обычных динамических микрофонов, они могут попытаться воспроизвести среднеквадратичное значение 3…5 В при одном и том же уровне звукового давления (123 дБ), что невозможно при использовании стандартных электретных капсюлей. Это особенно актуально, если они питаются от батареи напряжением 1,5 В! Такие микрофоны очень распространены (и очень бесполезны для большинства применений).

7.0 Заключение

Хотя эта статья только затронула проблему, но является хорошей отправной точкой. Нюансов остаётся очень много, но приведенная выше информация охватывает большинство микрофонов общего пользования.

В качестве эксперимента я недавно был вынужден (а планировал сделать это более года назад), построить Йорика (как в «Увы, бедный Йорик, я хорошо его знал» — Шекспир). Йорик — это микрофонная система с манекеном головы, а подробности доступны в Проекте 112, однако, вы можете создать свою собственную версию. Тесты очень обнадеживающие, с удивительной способностью определять источник звука.

Моя манекенная микрофонная система «Йорик»

Рис. 7 Моя манекенная микрофонная система «Йорик»

Несмотря на то, что вы можете приобрести уже изготовленный макетный микрофон Neumann, Gras или Brüel&Kjær, я подозреваю, что цена будет довольно сильным сдерживающим фактором. Существуют и другие методы достижения почти такого же результата, но есть нечто очень приятное в том, чтобы иметь «настоящую» головку, а не пластиковый или MDF-диск с микрофонами на каждой стороне (волосы, конечно, не обязательны). В каждом капсюле используется плата микрофонного усилителя Проекта 93. В моем случае у меня уже был подходящий многоцелевой предусилитель, но самый простой способ собрать устройство — это микрофонный усилитель по Проекту 93.

8.0 Ссылки

  1. Фантомное питание для конденсаторных микрофонов — http://www.uneeda-audio.com/phantom/
  2. Даташит на микрофон Shure SM58 —http://www.shure.com/pdf/specsheets/spec_wiredmics/sm58.pdf
  3. Схема Нойман U47 — http://www.vintageking.com/site/files/images/u47.gif

 

 

Электретные микрофоны — питание и применение

© Rod Elliott (ESP) — 2015

Публикация: январь 2017

Вступление

Из всех когда-либо созданных микрофонов электретные заняли позицию № 1 со значительным отрывом и в удивительно короткое время. Впервые появившись в 1970-х годах, они используются в самых дешевых микрофонах для персональных компьютеров, подавляющем большинстве всех новых телефонов, высококачественных устройствах записи и полностью сертифицированных системах измерения шума. В настоящее время получают широкое распространение микрофоны MEMS (микроэлектромеханические системы), но можно ожидать, что в течение некоторого времени электретные микрофоны останутся доминирующими во многих областях.

Ни один другой микрофон не охватывал столь широкий спектр применений и не имел такого же диапазона цен — от, возможно, $1,00 США или даже менее до $1000 США или более. Даже очень дешевые электретные капсюли, когда-то считавшиеся решением «бедняков», могут обеспечить более высокие параметры, чем очень дорогие динамические микрофоны. Конечно, существуют ограничения, но это относится ко всем типам микрофонов — ни один не подходит для всех возможных применений.

В этой статье рассматриваются, в основном, различные схемы, применяемые для их питания. Также будут рассмотрены преимущества и недостатки некоторых схем. Идеи, положенные в основу конструкции некоторых из них очень хорошо разработаны, в то время как другие невероятно сложны без ожидаемой выгоды. Чрезвычайно трудно определить также, где некоторые идеи впервые появились на свет и кто был за это ответственным. Из-за этого сложно отдать должное авторам, потому что в нескольких случаях я так и не смог определить первоначального разработчика.

1 Характеристики капсюля электретного микрофона

В ранних электретных микрофонах использовалась «предварительно поляризованная» диафрагма с металлическим покрытием, нанесенным под вакуумом, чтобы сделать диафрагму проводящей. Эти микрофоны были ненадежными и часто теряли свой поляризационный заряд, что приводило к выходу микрофона из строя. Нынешние микрофонные капсюли почти исключительно «обратно электретные» — опорная пластина диафрагмы является одновременно второй частью конденсатора и удерживает электретный «заряд».

Эти микрофоны доступны в широком диапазоне размеров и, хотя самые распространенные являются всенаправленными (звук воспринимается более или менее одинаково независимо от направления), доступны также направленные версии. Принцип обратного электрета защищает электретный материал от возможных загрязнений, а новейшие капсюли имеют длительный срок службы и стабильные условия эксплуатации. Они настолько хороши, что постоянно заменяют традиционные высоковольтные микрофоны с поляризованными постоянным напряжением конденсаторами даже для самых требовательных применений.

Основным недостатком электретных микрофонов является внутренний предусилитель. В лучших измерительных микрофонах встроенный предусилитель на полевом транзисторе не используется, но ожидается, что входной предусилитель микрофона будет иметь входное сопротивление не менее 1 ГОм, а часто и больше. Электретный капсюль подключается непосредственно к предусилителю, с использованием стандартного разъёма и схемы подключения. В большинстве случаев предусилитель идентичен предусилителю, используемому в настоящем ёмкостном микрофоне, за исключением того, что не требует поляризующего напряжения (обычно около 200 В).

Внешний предусилитель может быть настроен для обработки высокого напряжения сигнала — как правило, до среднеквадратичного значения 4 В. Выходной сигнал большинства измерительных микрофонов составляет около 50 мВ/Па (то есть 50 мВ при УЗД 94 дБ). Максимальный уровень выходного сигнала достигается при УЗД, равном 132 дБ.

С другой стороны, типичный электретный капсюль, покупаемый у местного поставщика электроники, имеет встроенный полевой транзистор и рассчитан на питание от одного сухого элемента напряжением 1,5 В. Поскольку эти капсюли работают от низкого напряжения, их способность выдерживать высокий уровень УЗД предельно ограничена. Даже если увеличить напряжение питания, внутренний полевой транзистор ограничивает предельный уровень и обычно существенно.

Новичкам не поможет информация, что чувствительность электретных капсюлей обычно указывается как, к примеру, минус 35 дБ (± 4 дБ) по отношению к 0 дБВ при 1 Па. Это требует вычисления выходного уровня пользователем, чтобы получить хоть что-то разумное. Вышеуказанная спецификация сводится к:

V = 1/антилог (дБ/20)
V = 1/антилог (35/20) = антилог (1,75)
V = 1/56 = 0,018 V = 18 мВ/1 Па

Следовательно, микрофон с чувствительностью минус 35 дБ относительно 1 В/Па имеет выходной сигнал 18 мВ при 1 Па или 94 дБ УЗД. С дешевыми капсюлями это значение изменяется в довольно широких пределах, хотя и максимальный УЗД, вообще-то, довольно ограничен. Те капсюли, которые я тестировал, подходят для УЗД около 100 дБ, но после этого их искажения быстро возрастают. Уровень искажений на уровне звукового давления 114 дБ обычно слишком высок, поэтому эти дешевые микрофоны должны применяться только при сравнительно низких уровнях (микрофоны для, например, певцов, ударных или прямо перед гитарным усилителем будут давать сильные искажения). Те же зависимости будут характерны и для любой другой спецификации, где значение составляет 1 В/Па.

2 Технические характеристики

Уровень выходного сигнала микрофонов должен быть рассчитан в милливольтах на Паскаль (мВ/Па), хотя существует много вариаций. Другие используемые условные обозначения включают дБмП или дБн (относятся к 775 мВ) или дБВ (относится к 1 В) при 0,1 Па (это число всегда будет отрицательным). В некоторых странах и у некоторых производителей сохраняются старые стандарты. Кажется, нет никакой логической зависимости, но очень раздражает необходимость постоянно конвертировать единицы.

1 Па = 10 мкБар = 94 дБ УЗД
0,1 Па = 1 мкБар = 74 дБ УЗД
1 дин/см2 = 0,1 Па = 1 мкБар

Существуют также оценки шума (сильно различающиеся как по выходному шуму, так и по его определению), выходное сопротивление, рекомендуемое сопротивление нагрузки, диаграмма направленности, АЧХ и т.д. Заявления об АЧХ не имеют смысла без графиков, показывающих фактическую АЧХ, а для направленных микрофонов должно также указываться расстояние микрофона от источника звука. В этом отношении особенно плохи дешевые микрофоны, для которых нередко можно видеть, что частотная характеристика указана как, например, 50…20000 Гц. Поскольку никакие ограничения больше не указаны (например, ± 3 дБ), это бессмысленно — на такой частотный диапазон будет реагировать любой микрофон, но может быть  с уровнем минус 20 дБ на крайних значениях, с большими вариациями уровня сигнала между ними.

Даже дешевые электретные капсюли обычно имеют очень хорошую АЧХ, но только для всенаправленных типов. Дешевые направленные капсюли в лучшем случае являются лотереей и, как и все направленные микрофоны, обычно имеют низкую частотную характеристику, если не используются очень близко к источнику звука. В этом случае часто сильно усиливается бас (из-за эффекта близости).

3 Питание микрофона

Этот раздел расширяет информацию, представленную в разделе «Микрофоны». Я не собираюсь рассматривать капсюли, требующие внешнего предусилителя на полевом транзисторе, поскольку они требуют от конструктора доступа к резисторам, по крайней мере, 1 ГОм (1000 МОм), а часто и больше. Кроме того, могут помочь чистые помещения, поскольку даже незначительные загрязнения могут привести к снижению импеданса, шуму или даже вообще к отказу в работе. Микрофонные капсюли без встроенных предусилителей обычно находятся на самом верху ценовой «лестницы». Они также довольно хрупкие, и их слишком легко повредить.

Следовательно, я рассмотрю более распространенные типы. В первую очередь это касается питания микрофона, как полноценной системы, но существуют и схемы, представляющие собой, по-видимому, полную микрофонную систему только с капсюлем и несколькими другими компонентами.

Базовые схемы питания микрофонного капсюля

Рис. 8 Базовые схемы питания микрофонного капсюля

На Рис. 8 показаны две наиболее распространенные возможные схемы питания, которые нельзя рекомендовать для какого-либо серьезного применения. Существует множество их вариантов, в которых для увеличения уровня выходного сигнала применяется индуктивность. В версии «А» напряжение источника питания 1,5 В слишком мало, чтобы быть эффективным и её действительно необходимо существенно доработать, чтобы она пригодилась для чего-либо, кроме случайных любительских записей. Микрофоны звуковой карты персонального компьютера (версия «B») используют аналогичную схему, за исключением того, что напряжение питания составляет + 5 В от источника питания компьютера и некоторые из них почти полезны для низкокачественной записи речи низкого уровня.

Как показано на Рис. 8, стандартный разъем для подключения микрофона персонального компьютера представляет собой стерео мини-джек (диаметром 3,5 мм). Заземление и экран — как всегда, гильза; сигнал поступает на кончик, а постоянное напряжение питания подается через кольцо. Предположительно, сигнал и напряжение питания были разделены, чтобы предотвратить возможные проблемы, вызванные подачей постоянного тока на входную цепь микрофона, но IMHO сама идея была с самого начала несколько ошибочной.

Помимо нескольких упрощенных примеров эта статья будет посвящена фантомному питанию (DIN 45595). Во всех случаях фантомное питание должно обеспечиваться при номинальном значении + 48 В. Сейчас доступно много оборудования, предполагающего, что многие микрофоны с фантомным питанием будут нормально работать при его меньшем (часто намного) значении, чем 48 В. Это крайне плохая практика, поскольку существуют также микрофоны с фантомным питанием, которые не будут работать при напряжениях, намного меньших номинального. Вполне допустимо, чтобы напряжение P48 составляло всего 43 В или 53 В, т.к. оно находится в пределах допуска ±10%.

Традиционно P48 подается на две сигнальных линии балансного соединения через резисторы по 6,8 кОм. Их часто можно видеть номиналом по 6,81 кОм — дополнительные 10 Ом несущественны, но подразумевают, что резисторы должны быть точными. Утверждалось (хотя я не помню, где), что резисторы могут иметь разброс не более 0,4%, но их легко отобрать, чтобы они были намного точнее этого значения. Я бы предположил, что более подходящим является разница в 0,1% — это означает, что они могут иметь взаимное отклонение номиналов в пределах 13 Ом. Более точное согласование означает лучшее обеспечение синфазного режима, но в цепочке сигналов есть и практические ограничения, налагаемые всеми остальными компонентами.

Некоторые микрофоны используют внутренний элемент или батарею и не требуют фантомного питания. Большинство из них являются микрофонами для любителей, а кроме того, они не балансные и не подходят для профессионального применения. Как можно себе представить, для тех микрофонов, которые в качестве источника питания используют батарейку 1,5 В, максимальный выходной сигнал крайне ограничен и легко искажается даже при нормальной речи на близком расстоянии.

Методы питания микрофона

Рис. 9 Методы питания микрофона

На Рис. 9 показаны два основных метода питания электретных микрофонов. Наиболее распространенным и рекомендованным для всех случаев является фантомное питание (известное также, как P48). Следует избегать альтернативного T-Power, поскольку оно несовместимо с P48 (хотя адаптеры и существуют, но они могут либо работать либо не работать) и слишком легко подключить не тот тип микрофона, чем повредить его. Как, вероятно, можно догадаться по «галке» и «кресту», у меня имеется довольно четкое мнение об этих двух схемах питания.

Фантомное питание использует одинаковое напряжение на контактах 2 и 3 относительно земляного контакта 1, тогда, как в системе T-Power постоянное напряжение 12 В подается между контактами 2 и 3. В некоторых системах на контакт 2 подается +12 В относительно контакта 3, однако, всегда есть вероятность, что полярность может быть обратной. Постоянное напряжение на этих контактах обычно привязано к земле (заземлению), но не всегда! Существуют также системы, в которых источник постоянного тока является плавающим — он вообще не привязан к земле.

В общем, я бы рекомендовал избегать T-Power везде, где это только возможно. Эта система способна подать через звуковую катушку динамического микрофона ток до 33 мА (фантомное питание P48 через плавающую звуковую катушку или трансформатор ток вообще не пропускает). Кроме того, T-Power между положительным проводом и землей может обеспечить ток силой до 66 мА, ограниченный резисторами по 180 Ом на каждой сигнальной линии. Для сравнения, ток короткого замыкания в системе P48 ограничен силой всего 14 мА и только в том случае, если оба сигнальных провода замкнуты на землю. Каждый их вывод ограничен током короткого замыкания силой 7 мА (48 В / 6,8 кОм).

Термин «T-Power» происходит от немецкого «Tonaderspeisung». Эта система называется также «AB Powering» и подпадает под спецификацию DIN 45595, но в некоторых кругах вы можете услышать, что её называют и по-другому (не все из названий для вежливой компании, особенно если микрофон «убит», неправильным питанием). В отличие от фантомного питания P48, T-Power может повредить динамические микрофоны и микрофоны с фантомным питанием (и, возможно, микрофоны других типов), не предназначенных для этой системы. К счастью, она становится все менее и менее распространенной. Как и следовало ожидать, фантомное питание, в свою очередь, с очень большой вероятностью повредит T-Powered микрофон.

Микрофоны T-Powered до сих пор широко используются с некоторым звуковым оборудованием для фильмов, а также для «ENG» — сбора электронных новостей для радио или телевидения. Sennheiser по-прежнему выпускает ряд радиочастотных «конденсаторных» микрофонов, доступных как в T-Power, так и в P48. Системы T-Power во многих отношениях являются их злейшим врагом. Не существует не только строгого соглашения о полярности (что само по себе может привести к катастрофическим последствиям), но в некоторых случаях источник питания может быть полностью плавающим и вообще не использовать соединение с экраном (земля/заземление/контакт 1), в то время как в других гальваническая связь с землей имеется. Для электроники это на самом деле безразлично, однако, это дает еще одну причину для споров, не приносящих никакой пользы. Альтернативное соединение на Рис. 9 показано серым (показанное на нем пунктирное соединение с плавающим источником питания не используется).

Некоторые из старых «конденсаторных» (ёмкостных) микрофонов имели собственный специальный источник питания и использовали многоконтактный разъем для различных напряжений. Это было особенно справедливо для ламповых микрофонов, которые не могли использовать фантомное питание, потому что их требования по силе тока питания накала были намного выше того, что может быть обеспечено P48. Эти источники питания используются последовательно с микрофоном и обычно имеют стандартный выход XLR, на котором постоянные напряжения отсутствуют. Во многих таких микрофонах, для обеспечения полной гальванической развязки, применяется трансформатор, предотвращающий, таким образом, образование «земляной петли».

Наконец, во многих тестовых и измерительных микрофонах применяется питание по токовой петле 4 мА. Это совершенно другой подход по сравнению с другими методами, заключающийся в том, что он не балансный. Несмотря на заявления об обратном, небалансная система может быть такой же тихой и так же подавлять шум, как и балансная система, хотя в некоторых крайних случаях высокочастотные помехи могут всё-таки вызывать проблемы. Полная система микрофонов на 4 мА с электретным капсюлем, описана в Проекте 134. Для этой системы обычно применяется источник питания напряжением 24 В, а «формирователь» (источник тока) обеспечивает постоянный ток силой 4 мА для каждого подключенного микрофона.

4 Питание капсюля

Именно здесь мы на самом деле начинаем рассматривать множество различных схем, которые были для этого использованы. Помните, что эта статья посвящена электретным микрофонным капсюлям со встроенным предусилителем на полевом транзисторе, поэтому некоторые из более экзотических схем не применимы.

Во многих из опубликованных схем питания электретных капсюлей с помощью фантомного питания Р48 были предприняты попытки обеспечения симметричности схемы. Хотя многие из этих схем могут показаться идеально сбалансированными, это может быть далеко не так.

Схемы питания микрофонов, которых следует избегать

Рис. 10 Схемы питания микрофонов, которых следует избегать

Схемы, показанные выше на Рис. 10, являются одними из тех, которые можно встретить в сети. К сожалению, после нахождения этого конкретного набора рисунков (который я перерисовал и немного изменил), я не смог найти его снова, чтобы отдать должное авторам. Хотя схемы «C» и «D» выглядят красиво и симметрично и, вероятно, будут работать вполне удовлетворительно, их сопротивление слишком велико, чтобы можно было использовать достаточно длинный кабель. Схемы «A» и «B» (IMHO) вообще непригодны. Хотя приведена удобная формула, нет ничего, что указывало бы, откуда именно взялась величина сопротивления 492 Ом, что вызывает серьезные сомнения, в её реальности. Мне не удалось проверить заявленное значение путем расчета или моделирования и, скорее всего, оно будет варьировать в зависимости от характеристик применяемого полевого транзистора. Хотя эти цепи кажутся балансными по сопротивлению, на самом деле это не так и двух верхних схем следует избегать. Следует также избегать двух других схем из-за их слишком высокого выходного сопротивления.

Кроме того, не было принято никаких мер для защиты капсюля от высоких переходных напряжений, возникающих при включении фантомного питания. Это группа схем, которые никогда не должны использоваться. Что еще хуже, корпус микрофонного капсюля не имеет потенциала заземления и не может быть подключен непосредственно к корпусу, что увеличивает вероятность гудения.

Если нужно использовать электретный капсюль с фантомным питанием, я предлагаю Проект 93 не только потому, что это моя разработка, но и потому, что это проверенная схема, она хорошо себя ведет и очень хорошо работает. Капсюль заземлен, чтобы минимизировать гул и, хотя применяется только балансировка импеданса (сигнал присутствует только на одном из проводов), ни у кого, кто его собрал, не было ни малейшей проблемы с повторением конструкции.

Нет никакой пользы от использования полностью балансной цепи сигнала и, при введении необходимых защит, эти схемы могут оказаться довольно сложными. Для подавления шума важен баланс не сигналов, а импедансов! Если полное сопротивление на двух сигнальных проводах точно равно одно другому, подавление шума будет настолько хорошим, насколько его сможет обеспечить приемник.

5  Балансное соединение по сравнению с небалансным

Существует огромное количество информации о преимуществах балансных систем, но во многих случаях это неверно истолковывается, часто до такой степени, что полностью теряется первоначальный смысл. Для тех, кто этого ещё не сделал, я настоятельно рекомендую прочитать статью «Разработка высокопроизводительных балансных аудиоинтерфейсов», потому что важно правильное понимание сути проблемы.

Как отмечено в этой статье, не существует требования, чтобы симметричная цепь была симметричной или даже чтобы сигнал присутствовал на каждом из проводников. Важно лишь, чтобы полное сопротивление двух проводников было одинаковым во всем диапазоне частот. У меня было бесчисленное множество вопросов по электронной почте, демонстрирующих, что эта точка зрения не понята и люди категорически настаивали на том, что «схема должна быть симметричной». Абсолютно ненужное во всех отношениях требование, особенно из-за одного простого факта: симметричные схемы далеко не симметричны. Просто потому, что «комплементарный» к каждому NPN-транзистору PNP-транзистор симметрии не обеспечивает потому, что два этих прибора достаточно отличаются друг от друга из-за различий технологических процессов их изготовления, вследствие чего совершенно симметричная схема попросту невозможна. Да и нет в этом необходимости — такая схема может разве что радовать глаз, но не имеет значения для звука.

Как уже кратко описано, небалансное соединение часто используется для одного из наиболее важных применений, относящихся к области измерения шума. Это важно не потому, что действительно важно, а потому, что за этим стоит законодательство. Я не собираюсь рассказывать об отрасли измерения шума, но важно понимать, что измерения нужно проводить с предельной точностью, а их результаты предназначены для суда, хотя небалансные кабели считаются совершенно нормальными. Конечно это легко доказать и если бы балансные линии связи были признаны предпочтительными, они были бы использованы.

Небалансные соединения рассматриваются большинством профессионалов как неполноценные, но если все сделано правильно, они ничуть не хуже балансных. Сигнал распространяется по внутреннему проводнику, а экран защищает от внешних помех. Вполне доступен высококачественный коаксиальный кабель, который может иметь лучший экран, чем многие балансные микрофонные кабели.

При условии, что импеданс низкий и используется высококачественный кабель, микрофон почти не нуждается в балансном соединении. Балансная линия в действительности основана на соглашении, но также добавляет вторичное средство уменьшения внешнего шума. Поскольку микрофоны являются плавающим источником сигнала (не имеющим вторичного соединения с другим оборудованием), балансное соединение является избыточным. Конечно, это абсолютно не вредно и подавляющее большинство всего профессионального оборудования использует балансные интерфейсы как само собой разумеющееся. Балансные соединения необходимы для фантомного питания, потому что напряжение постоянного тока является общим для обоих проводников (одинаково присутствует на каждой из сигнальных линий) и одного этого аргумента достаточно для использования всех микрофонов в симметричном режиме.

Балансные линии стали распространенными из-за телефонной системы (в которой используется неэкранированная витая пара (UTP)). В то время, как стационарные телефоны в наши дни считаются «устаревшими», телефонная сеть предоставила огромное количество техники, номенклатуры и условностей, большая часть которых сохранилась в аудио, даже если необходимость или причина отпали. Даже стандартное фантомное напряжение 48 В взято непосредственно из телефонной системы, использовавшей 48 В с тех пор, как телефоны впервые были реализованы в больших масштабах.

На Рис. 11 показан усилитель микрофонного капсюля из Проекта 93. Эта схема применяется многими людьми во всем мире и для такого простого усилителя имеет прекрасные характеристики. Транзисторы выполнены в виде операционного усилителя класса A, а микрофон, подключен к его неинвертирующему входу. Коэффициент усиления разомкнутого контура составляет более 60 дБ, а частотная характеристика разомкнутого контура находится в пределах 1 дБ от 2 Гц до чуть менее 30 кГц. Он легко подойдет для большинства электретных микрофонных капсюлей.

Схема питания электретного капсюля ESP из Проекта 93

Рис. 11 Схема питания электретного капсюля ESP из Проекта 93

Нормальное рабочее усиление, составляет около 10 дБ (три раза), но легко получить и единичное усиление, просто уменьшив номинал R8 до 1 кОм (обратите внимание, что R1 может потребоваться увеличить, чтобы получить симметричное ограничение, попробуйте начать с 82 кОм). Частотная характеристика простирается от ниже 8 Гц до более 100 кГц в пределах колебаний менее 0,5 дБ, а среднеквадратичное значение выходного напряжения может достигать 2 В, при этом искажения обычно ниже 0,02%. Когда усиление больше единицы, перед отсечкой выходной уровень становится немного больше. Выход псевдобалансный. В данном случае это означает, что он сбалансирован не по сигналу, а по импедансу.

В сети циркулируют и другие схемы, которые также имеют высокие параметры, но следует быть осторожным, дабы убедиться, что выбранная схема будет работать так, как заявлено. Многие профессиональные микрофоны используют сравнительно простые схемы и есть несколько «интегрированных» электретных микрофонов с фантомным питанием. Некоторым требуется не обычные 48 В, а «фантомное» питание с напряжением 15 В или около того. Некоторые схемы требуют, чтобы микрофонный капсюль был модифицирован так, чтобы стал трехпроводным. Хотя такая доработка, безусловно, работает с (подлинным) капсюлем WM61A, но с его заменителями менее надежна.

Полностью балансная схема питания электретного капсюля

Рис. 12 Полностью балансная схема питания электретного капсюля

Моя версия схемы, приведенной выше на Рис. 12 и опубликованной в нескольких местах с различными изменениями, сильно отличается от большинства других. Она основана на схеме, которая, как утверждается, была разработана для микрофона Behringer ECM8000. Я не могу комментировать это заявление, поскольку очень похожие схемы используются несколькими производителями, причем, некоторые имеют внешний интерфейс на полевом транзисторе с P-N переходом (а не биполярном транзисторе, показанном на рисунке). Они часто используются с обычными конденсаторными капсюлями, со смещением полевого транзистора и микрофонного капсюля резисторами номиналом 1 ГОм.

Схема имеет коэффициент усиления, равный двум, потому что Q1 работает с единичным усилением, как «расщепитель фазы», ​​аналогично тем, которые используются в ламповых усилителях. В целом это довольно хорошая схема (по крайней мере, по результатам моделирования). Обратите внимание, что по сравнению с Рис. 11 положение контактов 2 и 3 поменялись местами из-за подключения Q1. Я не собирал эту схему и не могу комментировать её шумовые характеристики. Транзистор Q1 должен быть малошумящим, но неизвестно, как он соотносится со схемой из Проекта 93, показанной выше. Во многих аналогичных схемах отрицательный вывод C3 соединен с землей/заземлением, что уменьшает амплитуду выходного сигнала и увеличивает шум. Если кто-то соберет эту схему, то на свой страх и риск. Не стесняйтесь, дайте мне знать, насколько хорошо (или нет) она работает на практике.

Заключение

Несмотря на то, что электретные микрофонные капсюли часто считаются малобюджетными, в настоящее время они очень распространены в измерительных микрофонах наивысшего качества, а также для записи природы и в других местах, где требуется высокая чувствительность, относительно низкий уровень шума и широкий частотный диапазон. «Настоящие» конденсаторные (они же «ёмкостные») микрофоны обычно превосходят большинство электретов и при практически невозможно превзойти конденсаторный микрофон с большой диафрагмой самых низких уровнях шума.

Однако, ничто иное не может сравниться с электретным капсюлем по цене. Там, где когда-то было обычным делом бороться с микрофоном с подвижной катушкой (например, в дешевых измерителях уровня звука), теперь применяется электрет, имеющий большой уровень выходного сигнала, более широкий частотный диапазон и обычно более низкий уровень шума. Тот простой факт, что электреты в настоящее время широко распространены в очень дорогом оборудовании для мониторинга и измерения звука, свидетельствует о том, что они больше не являются «дешевыми и увеселительными» устройствами, которыми считались когда-то.

Несколько прискорбно (мягко говоря), что больше не производится электретный капсюль Panasonic WM61A, поскольку он был одним из самых больших достижений за все время работы этой фирмы. Хотя есть бесчисленное количество онлайн-продавцов, утверждающих, что у них для продажи есть капсюли WM61A, и настаивающих, что они подлинные, к сожалению, большинство из них является подменой в том же форм-факторе (диаметром 6 мм). У меня есть небольшое количество реальных капсюлей и довольно много «подделок», между которыми нет никакого сравнения, особенно на очень низких частотах. Заменители подходят для речи, но не для измерений, где требуется хороший ответ НЧ.

Неизвестно, смогут ли микрофоны MEMS когда-либо сравниться с хорошим электретом для измерения шума или записи. Они, безусловно, становятся все лучше и лучше, но проблемой может быть получение частотной характеристики от 0,1 Гц до 20 кГц (что легко обеспечить менее чем за $100 США с электретным капсюлем). У большинства из них низкочастотный отклик ограничен величиной около 100 Гц, хотя некоторые утверждают, что он составляет 20 Гц (но обычно ниже на 20 дБ, что совсем не вдохновляет). Многие также имеют резонансный пик на частоте 4…6 кГц и, хотя это, как правило, хорошо для голосовых применений, но бесполезно для точной записи или мониторинга шума.

Электроника постоянно совершенствуется, поэтому на некотором этапе в не слишком отдаленном будущем (возможно) мы сможем наблюдать, как микрофоны MEMS займут всё большую долю рынка в более требовательных ролях. Тем временем, электретные микрофоны по-прежнему обеспечивают наилучшее соотношение цены и качества из всего ныне доступного.

Ссылки:

Epanorama — Powering Microphones

 

Article2

Записывающие и измерительные микрофоны

(Проект № 93)

Rod Elliott (ESP)

Вступление

Целью данной статьи и небольшой группы проектов является создание микрофона, который, хотя и не откалиброван, но может быть эффективно использован в качестве измерительного с любым громкоговорителем или для очень качественных записей. Микрофонный усилитель данного проекта представляет собой дискретную, полностью бестрансформаторную схему класса A, обеспечивающую высокие  параметры при сравнительно низкой стоимости.

Традиционно измерительные микрофоны калибруются, чтобы был известен точный выходной уровень сигнала для данного уровня звукового давления, а амплитудно-частотная характеристика предсказуема и точна. Это прекрасные цели, но лишь немногие производители динамиков могут себе позволить (или могут оправдать) затраты на полностью откалиброванный измерительный набор или даже на микрофон.

Данный проект измерительного микрофона не откалиброван по уровню или АЧХ, а основан на достаточно предсказуемых характеристиках электретных микрофонных капсюлей. Они легкодоступны, очень дешевы (менее $5 США в любой валюте) и, как правило, на удивление хороши — за исключением тех, которые не продаются и заранее рассказать об этом невозможно. Не менее печально, что капсюли Panasonic WM-61A были сняты с производства, и я не знаю надежных поставщиков их аналогов.

Типичные электретные капсюли (а)  и их амплитудно-частотная характеристика (б)Типичные электретные капсюли (а)  и их амплитудно-частотная характеристика (б)

Рис. 13 Типичные электретные капсюли (а)
и их амплитудно-частотная характеристика (б)

На Рис. 13 показан их внешний вид и типичная амплитудно-частотная характеристика (показаны капсюли Panasonic и их характеристика, также типичная для многих других моделей). Показанная на Рис. 13 АЧХ очень хороша и довольно близка к тому, что можно ожидать от приличных капсюлей.

Для большинства записей потребуется направленный микрофон. К сожалению, корпус является гораздо более сложным и критичным для направленного микрофона, чем для всенаправленной версии. К счастью, измерительные микрофоны должны быть всенаправленными, поэтому данное ограничение проблемой не является.

Чувствительность

Разумный (и правильный) способ оценить микрофон или микрофонный капсюль всегда должен ссылаться на чувствительность в терминах дБВ или дБн на Паскаль. Один Па имеет уровень звукового давления 94 дБ, и из этого можно определить напряжение, которое получится при любой силе звука. В спецификации, чтобы она была действительно разумной, должно быть также указано напряжение питания и номинал резистора питания, используемые для получения указанной чувствительности. Например, капсюль может питаться от источника постоянного напряжения 1,5 В и использовать резистор питания номиналом 2,2 кОм.

Если микрофон рассчитан на минус 35 дБВ (в пересчете на 1 В RMS) на 1 Па, легко можно определить выходной уровень:

- 35 дБВ = антилог (-35/20)
= 10(-35/20) = 17,8 мВ

Таким образом, этот микрофон будет выдавать 17,8 мВ при звуковом давлении 94 дБ или 1,78 мВ при звуковом давлении 74 дБ. В некоторых случаях уровень может быть указан как дБн или дБмВ, обе единицы измерений имеют опорный уровень не 1 В, а 775 мВ. Чтобы преобразовать выходной уровень обратно в дБВ, нужно просто умножить напряжение на 1,29 (1,3 достаточно близко). Если микрофон не имеет разумных спецификаций (опущены основные ссылки), тогда вы можете оценить только уровень, который получите, основываясь на «типичном» микрофоне и обычно должны ожидать где-то от минус 34 дБ (20 мВ/Па) до минус 44 дБ (6.3 мВ/Па).

Как отмечалось в конце этой статьи, электретные микрофоны имеют предел УЗД, который они будут терпеть до появления искажения. Рассмотрим капсюль, работающий от батарейки напряжением 1,5 В. Если его чувствительность составляет минус 35 дБ/1 Па, как показано выше, на микрофон должен поступить звук с УЗД 114 дБ (на 20 дБ выше контрольного уровня), выходной сигнал будет составлять 178 мВ RMS… в снах. Микрофон будет искажать! Использование более высокого напряжения питания и/или более высокого сопротивления может обеспечить бо́льший выходной уровень для заданного УЗД, но, как правило, ни в коей мере не повысит уровень перегрузки.

Существует широкий ассортимент электретных капсюлей и предсказуемо широкий диапазон указанных чувствительностей. К сожалению, многие продавцы не дают спецификаций, имеющих какое-либо реальное применение и из-за этого намного сложнее определить, какой уровень выходного сигнала получится для ожидаемой силы звука. Для измерительных задач, если нет калибратора (или нет к нему доступа), можно выполнять только относительные измерения.

Чтобы дать некоторое представление о том, чего можно ожидать, я протестировал 6-миллиметровый капсюль, запитываемый от напряжения 5 В с резистором номиналом 5,1 кОм. Средний уровень звукового давления (невзвешенный) в моей мастерской (от радио через систему мастерской) составлял 65 дБ, при чем измеренный средний выходной уровень сигнала с микрофона составил 2,5 мВ RMS. Уровень достаточно близок к 30 дБ ниже 1 Па (94 дБ УЗД), что указывает на выходной сигнал 79 мВ при 1 Па — значительно выше, чем типичный уровень для большинства капсюлей. Это работает до минус 22 дБВ по отношению к 1 Па, что довольно неплохо.

Питание электретных микрофонов

Традиционно электретные микрофоны питаются от батарейки напряжением 1,5 В по очень простой схеме, показанной на Рис. 14. На нем показана схема микрофона «Граница» фирмы Radio Shack и в действительности она сложнее, чем большинство аналогичных — индуктивность обычно не применяется (и я не уверен, почему кто-то посчитал, это хорошей идеей, т.к. из-за неё микрофон становится чувствительным к магнитным полям). Как и у всех таких простых схем, у этой есть некоторые очень реальные недостатки.

Типичная схема питания электретного микрофона

Рис. 14 Типичная схема питания электретного микрофона

Недостатками стандартной схемы (и «бюджетных» коммерческих электретных микрофонов в целом) являются:

  • выходной импеданс относительно высок (обычно около 1 кОм);
  • уровень выходного сигнала ограничен (из-за низкого напряжения питания);
  • шум может быть относительно высоким;
  • способность воспринимать повышенную громкость звука низкая (обычно < 100 дБ УЗД).

Естественно, есть хотя бы одно преимущество:

  • они обычно легко доступны и очень дешевы в розничных магазинах.

У таких микрофонов плохая репутация из-за недостатков, однако, с некоторой дополнительной доработкой с ними можно добиться отличных результатов. Первое возражение легко снимается с помощью операционного усилителя для буферизации выходного сигнала, гарантируя, что выходное сопротивление останется низким. Легко достичь полного сопротивления 100 Ом или около того, чего достаточно для любого микшера.

Второе возражение снимается путем увеличения напряжения питания. Напряжения 1,5 В слишком мало, чтобы быть полезным, поэтому рекомендуется питание 5 В или даже более. Это, в свою очередь, снимает и следующие две проблемы, т.к. при большем уровне выходного сигнала уменьшается вклад шума, а более высокое напряжение питания позволяет значительно увеличить выходное напряжение перед появлением искажений.

Обратите внимание, что если напряжение питания увеличивается, сопротивление питания также должно быть увеличено. Это обеспечит больший уровень выходного сигнала, но и повысит полное сопротивление. Данная коллизия должна быть разрешена, иначе появятся чрезмерные высокочастотные потери из-за емкости кабеля. В спецификациях (где это предусмотрено и полезно) никогда не предлагается источник питания напряжением выше 1,5 В, но я использовал очень много электретных капсюлей с высоким напряжением питания (5…10 В постоянного тока) и никогда не сталкивался с неисправностями.

Единственное преимущество остается и мы не можем это изменить… но  можем использовать в своих интересах. Мысль о том, что что-то такое дешевое имеет отличные параметры, несколько сбивает с толку — ожидание заключается в том, что если оно очень дешевое то не может иметь хороших характеристик. На самом деле это совсем не так.

Я использовал модифицированный гиперкардиоидный электретный микрофон (который в то время стоил менее $50) и добился отличных результатов для записи голосовых объявлений (в профессиональном качестве). Во многих случаях качество было лучше, чем у нескольких звукозаписывающих студий, использовавшихся ранее, даже несмотря на то, что записи делались в обычной (но достаточно тихой) комнате, без особой акустической обработки. Большинство записей были сделаны в обычном офисе.

Оригинальный микрофон был размещен в пластиковом корпусе с нулевым экранированием (поэтому он улавливал много электрических помех), а в качестве источника питания применялась батарейка напряжением 1,5 В. После модификации корпус был полностью экранирован и было применено измененное питание непосредственно от микшера — не фантомное питание 48 В, а только 15 В от блока питания самого микшера. Уровень выходного сигнала и способность обрабатывать сигналы были значительно увеличены, а результаты действительно были очень впечатляющими — и все это за $50 или около того с небольшими доработками.

Электретный измерительный микрофон с дистанционным питанием

Рис. 15 Электретный измерительный микрофон с дистанционным питанием

На Рис. 15 показана простая схема микрофона с дистанционным питанием — его можно использовать непосредственно в качестве измерительного с аккумуляторной батареей на 9 В и, если соединительный кабель останется коротким, он будет давать очень хорошие результаты,. Как правило, показанная на Рис. 15 схема должна применяться только с кабелем малой емкости, длиной максимум метр или около того. Если этого недостаточно (а обычно этого не хватает), для уменьшения выходного сопротивления следует применить усилитель. Обычно достаточно добавить некоторое дополнительное усиление, как показано на схемах ниже.

Стандартный электретный микрофон «с полки» не может быть откалиброван, но типичные графики АЧХ будут приемлемо плоскими от 20 Гц до 10 кГц, часто с повышением на 3 дБ при 18 кГц перед повторным падением. Типичный график АЧХ показан выше на Рис. 13b. Хотя, очевидно, что невозможно гарантировать, что та АЧХ, которую вы получите, будет такой же, но маловероятно, что она будет сильно отличаться.

Я включил фотографию своего прототипа зонда и, основываясь на первоначальных тестах, кажется, что с точки зрения параметров он очень близок к измерительному микрофону Behringer, но намного дешевле. Уровень выходного сигнала очень высокий с любым из усилителей, показанных ниже — то, что я измерил, составило около 50 мВ при 70 дБ УЗД и чистый неискаженный выходной сигнал амплитудой почти 1,6 В RMS при 100 дБ УЗД. Исходя из этого, он явно не подходит для измерений экстремальных уровней звукового давления, но идеален, как измерительный микрофон.

Измерительный микрофон Behringer (вверху)  и прототип моего измерительного микрофонного датчика (внизу)

Рис. 16 Измерительный микрофон Behringer (вверху)
и прототип моего измерительного микрофонного датчика (внизу)

Длинная трубка обеспечивает минимальные дифракционные помехи от корпуса и/или подставки для микрофона, а последний блок имеет алюминиевый корпус с поворотным корпусом и фантомное питание. Поскольку печатная плата должна быть очень маленькой, было невозможно завершить установку до тех пор, пока я не сделал печатные платы размерами примерно 12,5 x 50 мм (или 0,5"×2"). Они были доступны в продаже в течение некоторого времени (см. Прейскурант ESP). Прототип усилителя был построен первым и работает очень хорошо (см. ниже «Собственный проект»), но, увы, он слишком большой, чтобы поместиться в корпусе.

Фотография собранного предусилителя

Рис. 17 Фотография собранного предусилителя

На Рис. 17 выше показано, как выглядит предусилитель. Я прикрепил свой непосредственно к модифицированному разъему XLR, используя аккуратно изогнутые контакты с платы, чтобы они соответствовали выводам разъёма. Несмотря на использование стандартных (в отличие от миниатюрных) конденсаторов на 100 мкФ/16 В, готовая собранная плата отлично вписывается в корпус. Это было моим намерением с самого начала и идея заключалась в том, чтобы использовать стандартную трубку с внутренним диаметром 19 мм (3/4"), соответствующую диаметру разъёма.

Ранее я поставлял наборы для изготовления микрофонов, показанные выше, но стоимость материалов и время, необходимое для их изготовления, были непропорциональны продажной цене и они больше не доступны.

Микрофоны зоны давления® (PZM®)

Оригинальный микрофон Pressure Zone Mic был разработан довольно давно и у меня есть один из самых первых из доступных (производства Wahrenbrock). Crown Audio делает их с 1980 года, а Radio Shack (известный в Австралии, как Tandy) также делает одну модель (теперь называется граничный микрофон), который легко модифицировать, чтобы он стал почти студийного качества. Опять же, все, что ему нужно, это приличный источник питания и буфер или усилитель для гарантии, что выходное сопротивление останется низким (и балансным), чтобы соответствовать профессиональным микшерным пультам. Оригинальное устройство Radio Shack представляло собой настоящий микрофон PZM, но следует отметить, что новые от него отличаются (см. стандартную схему на Рис. 14).

Чтобы внести изменения, даже не нужно переделывать корпус. Для того, чтобы увидеть, что находится внутри, нужно удалить четыре винта, находящиеся  под резиновой прокладкой внизу. Внутри пены средней плотности находится небольшая печатная плата. Её верхнюю часть можно удалить и будут доступны клеммы микрофона. Дроссель с металлическим сердечником (довольно сомнительного качества) индуктивностью 2,2 Гн просто остается отключенным, если не использовать белый провод в экранированной паре с блоком переключателей и держателем батареи (они будут выброшены). Внутренняя проводка от блока микрофона подключается к новой плате предусилителя с помощью подходящего разъема на существующем кабеле от микрофона. Неразъемное подключение применять не рекомендуется, но если нежелательна радикальная переделка кабеля, то и нет особого выбора. Экран является отрицательным выводом микрофона (а также корпусом), а центральный провод — сигнальный.

Граничный микрофон Radio Shack (Tandy)

Рис. 18 Граничный микрофон Radio Shack (Tandy)

Используя только экран и центральный провод (подключение микрофона — см. внутреннюю схему на Рис. 14 выше), этот микрофонный блок можно подключить к предусилителю, показанному ниже. Затем он может быть оснащен фантомным питанием для записи в театре или для другого применения, либо для усиления звука и действительно дает очень хороший отзыв о себе.

Собственный проект

На Рис. 19 показан спроектированный предусилитель — балансный драйвер микрофонной линии. Он подходит для использования с фантомным питанием или питанием от батареи и легко адаптируется для любого из них (как описано ниже). Этот предусилитель имеет доступную печатную плату и подходит для любых микрофонов, показанных в этой статье. Подходит он и для измерения или записи, имеет высокий уровень выходного сигнала, низкий уровень шума и может питаться от батареи 9 В или фантомного питания от 30 В до 48 В. Сопротивление/импеданс нагрузки должно быть не менее 1 кОм, но на самом деле оно значительно ниже, чем у большинства предусилителей, поэтому проблем не возникнет.

Проект балансного микрофонного предусилителя

Рис. 19 Проект балансного микрофонного предусилителя

Этот предусилитель очень похож на предусилитель DoZ — топология идентична, но была модифицирована для более низкого напряжения питания. Усилитель представляет собой однополярную схему класса A с обратной связью по току, обладающую чрезвычайно хорошей линейностью, широкой полосой пропускания и безусловно стабильную. На выходах рекомендуется устанавливать ферритовые бусины (F1 и F2). Показанные выходные контакты представляют собой обычные соединения с аудиоразъемом XLR, с контактом 1 в качестве заземления, контакт 2 является «горячим», а контакт 3 — «холодным» (возвратным для сигнала). Выходной сигнал на самом деле сбалансирован, но асимметричен — такая базовая идея очень распространена и используется во многих студийных микрофонах премиум-класса.

Все резисторы должны быть металлизированными, а электролитические конденсаторы должны быть рассчитаны на напряжение 16 В. Номинал 100 мкФ, показанный для C5 и C6, может быть уменьшен до 33 мкФ для записей, но для поддержания нижней границы частотного диапазона до 10 Гц для измерений, следует использовать, всё-таки, 100 мкФ, как показано на схеме.

Если питать предусилитель от батареи, нужно просто не использовать R10 и R11 и подключить батарею непосредственно к клемме + VE. Обратите внимание, что если планируется использовать аккумулятор, то C5 и C6 необходимо поменять местами, а D1 — исключить. Потребляемый ток довольно низкий (максимум около 5 мА), поэтому батарея на 9 В должна работать достаточно хорошо. Если микрофон предназначен для батарейного питания, его никогда нельзя подключать к фантомному, т.к. C5 и C6 будут иметь обратное смещение и выйдут из строя. Как отмечалось выше, для этой версии доступны печатные платы — они крошечные и легко помещаются даже в небольшие корпуса микрофонов.

Этот предусилитель можно использовать для модифицированного «граничного» микрофона, чтобы собрать высококачественный измерительный микрофон, или для преобразования дешевого направленного микрофона в нечто почти профессионального качества. По своим характеристикам он, конечно же, не сравнится с Neumann, Sennheiser или другим дорогим студийным микрофоном, но также и не обойдется в более, чем $1000.

Версия на ОУ

Этот раздел предназначен, в основном, только для информации. Я бы не рекомендовал какой-либо операционный усилитель в качестве микрофонного из-за шума. Конечно, в настоящее время доступно несколько достаточно хороших операционных усилителей, но большинство малошумящих ОУ (и с низким уровнем искажений) требуют значительного тока питания.

Получение достаточного тока от фантомного питания микшера является отнюдь не тривиальной задачей. Если два резистора питания по 6,8 кОм замкнуть на массу, то максимальный доступный ток составит всего 14 мА, но при этом напряжения на нагрузке не будет вообще. Для допустимого тока (скажем) 10 мА, максимально доступное постоянное напряжение питания составит 14 В. Получение минимально возможного тока является хорошей целью, но для работы всех операционных усилителей потребуется некоторый ток, а схема питания, показанная на Рис. 20, является относительно простым способом достижения желаемых результатов.

Это приемный конец источника фантомного питания, питающий микрофон и драйвер линии операционного усилителя. Можно ожидать, что эта схема будет обрабатывать уровни звука примерно до 110 дБ, а возможно и больше — этого более чем достаточно для любого микрофона, не используемого в непосредственной близости от громкого вокала либо инструментов. Хотя U1A показан с усилением 2, его можно уменьшить до единицы, удалив R8 и перемкнув R9, так что U1A превратится в буфер с единичным усилением. Обратите внимание, что это уменьшит отношение сигнал/шум и микрофон будет немного шумнее.

Микрофонный усилитель на ОУ с балансным выходом

Рис. 20 Микрофонный усилитель на ОУ с балансным выходом

Аналогичный (но немного более сложный) метод получения постоянного тока из сигнальных линий использует Crown в своих микрофонах PZM и подобные схемы используются также в других (аналогичных) микрофонах. Как это работает? На самом деле, довольно просто. Q1 и Q2 работают, как приемники тока, а нагрузка подключена к их эмиттерам. Поскольку приемник тока (или источник) имеет чрезвычайно высокое сопротивление на коллекторе, нагрузка сигнальных линий минимальна. Появляющийся на базах постоянный ток фильтруется С1, поэтому коллекторы «видят» только постоянный ток — сигнал переменного тока остается без изменений, за исключением крайне низких частот (менее 1 Гц для схемы, показанной выше). R14 (помеченный **) описывается как «S.O.T» и подбирается при настройке. Этот резистор нужно выбирать так, чтобы постоянное напряжение составляло около 10 В при нормальном фантомном питании 48 В. Вместо него можно использовать стабилитрон, который обеспечит немного больший диапазон напряжений, в зависимости от применяемого ОУ.

R3 применяется для обеспечения некоторого напряжения на транзисторах, а дифференциальное напряжение должно быть больше ожидаемого пикового напряжения выходного сигнала. Как показано, перепад составляет около 3 В, так что напряжение сигнала от пика до пика может составлять 6 В, что эквивалентно уровню выходного сигнала от микрофона почти + 10 дБм! Данная схема была собрана и протестирована, продемонстрировав хорошие результаты своей работы. Уровень выходного сигнала примерно такой же, как у дискретной версии, показанной на Рис. 19, но схема более сложная, а плату нельзя сделать достаточно маленькой, чтобы поместилась в тонкий корпус микрофона, не прибегая к SMD-компонентам.

В наиболее распространенном варианте моей упрощенной схемы подачи постоянного тока, вместо просто конденсатора, применяется транзисторный умножитель ёмкости. Это не было признано необходимым и я на практике обнаружил, что схема очень хорошо работает и без дополнительных усложнений.

В моем прототипе предусилителя использовался ОУ OPA2134 (с относительно большим током потребления), питаемый рабочим напряжением чуть больше 10 В от фантомного питания 48 В через резисторы номиналом по 6,8 кОм. Возможности выходного сигнала чрезвычайно высоки — если говорить прямо в микрофон… ГРОМКО, легко можно получить среднеквадратичное значение 2 В! В целом это чрезвычайно мощный предусилитель с превосходными характеристиками и параметрами. Если того потребует спрос, версия этого предусилителя для поверхностного монтажа может быть доступна на более позднем этапе, поскольку это единственный способ уменьшить его размер, чтобы можно было разместить в тонком корпусе микрофона. Для низкоуровневой записи шум все же окажется проблемой.

Уровень звукового давления

Следует понимать, что все электретные микрофоны (в действительности, все микрофоны) имеют одно ограничение, которое мы не можем легко обойти — это максимальный уровень звукового давления до наступления искажений. Поскольку электретные капсюли имеют встроенный усилитель, всегда будет уровень, при котором выходной сигнал начнет искажаться. Капсюль с резистором питания 10 кОм, питаемый от источника напряжения 15 В будет достаточно легко выдавать среднеквадратичное значение 1 В, если просто располагать его достаточно близко ко рту при громком разговоре. Даже профессиональные микрофоны (включая динамические) вполне способны на 0 дБм в непосредственной близости от пола/стены или громкого певца. В результате близкая вокальная работа, ударные и духовые инструменты (труба, саксофон и т.д.) способны на очень высокий уровень звукового давления и не очень подходят для электретных микрофонов. Можно получить хорошие параметры при уровне звукового давления до 115 дБ — возможно, даже больше.

Чувствительность можно уменьшить, просто уменьшив значение резистора питания. Опять же, есть предел, т.к. внутренний усилитель на полевом транзисторе может искажать сигнал независимо от того, что происходит снаружи капсюля. Можно модифицировать сам капсюль, но это возможно только с некоторыми моделями, если нет готовности пойти на некоторые жертвы (с гарантией, что в процессе переделки не погубится пара капсюлей).

Эту задачу я оставлю «на откуп» конкретному конструктору. Одна из возможностей использования микрофонного капсюля Panasonic заключается в том, что можно перерезать наружную дорожку на печатной плате капсюля, что дает доступ к истоку внутреннего полевого транзистора. Как показано на Рис. 21, эту небольшую дорожку можно перерезать, подключив затем микрофон к полевому транзистору в качестве источника сигнала. Я не знаю, какой максимальный уровень звукового давления будет у микрофона, модифицированного таким образом, но он значительно выше, чем у немодифицированного электретного капсюля. Если вы так сделаете, то следует ожидать, что будет изменена полярность микрофона. Стандартный капсюль при сжатии воздуха создает положительное напряжение, потому что для этого подключен электрет.

Модификация электретного капсюля Panasonic

Рис. 21  Модификация электретного капсюля Panasonic

Такая модификация была первоначально предложена Зигфридом Линквицем для его генератора косинус-пачек (см. Проект 58). Обратите внимание, что она описана только для капсюля Panasonic, хотя подобным образом могут быть адаптированы капсюли и других производителей.

Сток полевого транзистора непосредственно подключен к источнику питания (без последовательного резистора) и теперь выходной сигнал снимается с истока (клемма 2). Усиления нет, поэтому ожидайте, что выходной уровень станет немного ниже, чем обычно. Выходной импеданс с резистором 4,7 кОм несколько меньше, чем 4,7 кОм, но для него все еще потребуется буфер на ОУ (или транзисторе), чтобы предотвратить насыщение полевого транзистора по току, если он подключен к любому типичному микрофонному предусилителю.

Примечания:

  • Pressure Zone Microphone® и PZM® являются зарегистрированными товарными знаками Crown International Inc.
  • Pressure Recording Process™ является товарным знаком E.M. Long Associates.

Оригинал статьи

Теги:

Опубликована: 0 0
Я собрал 0 0
x

Оценить статью

  • Техническая грамотность
  • Актуальность материала
  • Изложение материала
  • Полезность устройства
  • Повторяемость устройства
  • Орфография
0

Средний балл статьи: 0 Проголосовало: 0 чел.

Комментарии (1) | Я собрал (0) | Подписаться

0
Публикатор #
На форуме автоматически создана тема для обсуждения статьи.
Ответить
Добавить комментарий
Имя:
E-mail:
не публикуется
Текст:
Защита от спама:
В чем измеряется электрическое сопротивление?
Файлы:
 
Для выбора нескольких файлов использйте CTRL

Конструктор для сборки: предусилитель на лампе 6N3
Конструктор для сборки: предусилитель на лампе 6N3
Бокс для хранения компонентов Автомобильный GPS-трекер с GSM/GPRS и дистанционным управлением
вверх