Для чего служит микрофон
Принцип работы микрофона
Многие важнейшие изобретения человечества, создаваемые для передачи звука на расстояние, будь то радио или телефон, не могли обойтись без устройства для приема звуковых волн. Изобретение микрофона было необходимо на столько, что он изобретался одновременно в разных частях планеты. И до сих пор до конца не ясно, кого же из ученных можно назвать родоначальником устройства. Сегодня устройства используются практически во всех сферах жизни, начиная от сложных исследований космоса, заканчивая разговором не о чем двух домохозяек по телефону. При этом мало кто задумывается, как выглядит это, казалось бы, нехитрое устройство изнутри.
Принцип работы микрофона
Задача микрофона – преобразование звуковых волн в электрические импульсы. Они записываются на носители, и после этого, благодаря специальным программам, снова преобразуются в звук, давая возможность прослушать записанное. Что бы звукозапись стала возможна, применяются различные типы микрофонов. Самые простейшие их них работают по принципу барабанной перепонки. Колебания воздуха, создаваемые звуком, вызывают вибрацию тонкой пленки, установленной внутри устройства. Эта диафрагма, в свою очередь, двигает индукционную катушку, намотанную вокруг постоянного магнита, то есть находящуюся в постоянном магнитном поле.
За счет этого движения в катушке появляются электрические импульсы, которые и уходят по проводам на звукозаписывающее устройство. Длина и интенсивность импульса напрямую зависит от громкости и времени воздействия звуковых волн на мембрану.
Внимание! Существуют и гораздо более сложные виды таких устройств, для которых используются микросхемы и дополнительные источники питания. Качество звука, получаемого при использовании более совершенных технологий, во много раз превышает возможности простейших динамических микрофонов.
Конструкция микрофона
Самыми распространение и широко применяемые, работают следующим образом:
Какие бывают микрофоны
Помимо наиболее распространенных динамических и конденсаторных микрофонов, существуют и другие виды.
За счет сложности конструкции, дороговизны производства или не достаточных качественных показателей, они менее распространены. К ним относят угольные (Микрофон Юза), оптоакустический, пьезоэлектрические и другие, в основном применяемые в очень узконаправленных научных экспериментах. Красивая мелодия, звучащая в плеере, голос любимого человека, которого нет рядом — все это было бы невозможно без маленького помощника, умеющего создавать из звука поток электронов в проводах.
10 типов микрофонов
Звук удивительная вещь. Всё что мы слышим — это изменение давления воздуха вокруг нас. Нужно заметить, что воздух передает эти изменения давления так хорошо и так точно на большие расстояния. Первый микрофон представлял из себя металлическую диафрагму, которая крепилась к игле, игла с другой стороны была прикреплена к фольге. Перепады давления воздуха при разговоре перемещали диафрагму, которая перемещала иглу, а та оставляла отметки на фольге-пленке. Когда пленку проигрывали, то другая игла «спотыкалась» об отметины, оставленные записывающей иглой ранее и таким образом через диафрагму повторяла записанный ранее звук.
Все современные микрофоны делают тоже самое, но переводят вибрации уже в электронный и даже цифровой вид, а не механические вибрации. Микрофон берет различные вибрации воздуха и конвертирует их в электрические сигналы. Есть несколько способов-технологий, которые используются для этой конверсии.
Жидкостные микрофоны
Были изобретены Александром Грэмомом Беллом и Томасом Уотсоном. Были одними из первых работающих микрофонов и стали предшественниками конденсаторных микрофонов. Ранние жидкостные микрофоны использовали металлическую чашку, наполненную водой или кислотным растовром. Мембрана была помещена над чашкой с иглой на приемной стороне диафрагмы. Звуковые колебания заставляли иглу перемещаться в воде. Небольшой электрический ток пропускали через иглу. Конечно, такая схема микрофона была мало эффективна, но на тот момент она была одной из первых.
Углеродные (карбоновые) микрофоны
Старейший и самый простой микрофон, в котором использовалась угольная пыль. Эти микрофоны использовались в первых телефонах и даже используются в некоторых устройствах и сейчас. Угольная пыль взаимодействует с тонкой металлической или пластиковой мембраной с одной стороны. Когда звуковые колебания ударяют диафрагму, они сжимают угольную пыль (изменяется площадь контакта между отдельными фракциями угольной пыли), которая изменяет сопротивление между металлическими пластинами. Если пропускать между пластинами постоянный ток, напряжение между пластинами будет зависеть от давления на мембрану.
Волоконно-оптический микрофон
Воолоконно-оптический микрофон, можно сказать что это даже цела система, которая использует супер-тонкие нити стекловолокна для передачи информации, вместо традиционных металлических проводов. Волоконно-оптические микрофоны могут быть очень маленькими и могут использоваться в оборудовании, которое очень чуствительно к электрическому току, радиочастотным помехам. В них не используются металлические части. Луч света от лазерного источника направляется по оптоволокну и освещает мембрану микрофона. При колебаниях мембраны световой поток модулируется (по интенсивности) и идет по второму оптоволокну на фотодиод, который преобразует сигнал в переменный ток. В данном случае не происходит преобразование колебаний мембраны непосредственно в электрический сигнал как в обычных микрофонах.
Динамический микрофон
В нем используется принцип движения магнита внутри катушки-проволки. Диафрагма здесь перемещает магнит или катушку, которая создает небольшой ток.
Были созданы А.Блюмлайном в 1930-х гг. на фирме EMI, с 1936 модель такого микрофона HB1A начала применяться в звукозаписи. Позднее после войны с появлением мощных постоянных магнитов начался их промышленный выпуск на фирмах AKG, Neumann.
Электретный (пленочный) микрофон
Электретные микрофоны являются одними из самых широко используемых микрофонов. Потому что они дешевы и относительно просты, электретные микрофоны используются в мобильных телефонах, компьютерах, гарнитурах и т.д. Электретный микрофон является одним из видов конденсаторных микрофонов, здесь внешний заряд заменяется электретным (диэлектрик, например тефлон) материалом, который по определению находится в постоянном состоянии электрической поляризации. Созданы Сесслером и Вестом в 1962 г. на фирме Bell Labs.
Ленточный микрофон
В нем тонкая лента, обычно алюминий, дюралалюминий или нанопленка подвешена в магнитном поле. При звуковых колебаниях пленка начинает двигаться в магнитном поле, между полюсами постоянных магнитов, при этом в ней появлялся переменный электрический ток. Создан Г.Олсоном примерно в 1930 году. Первый промышленный образец (RCA PB-31) появился в 1942 в компании RCA. Чуть позднее другие компании стали делать лентоные микрофоны (BBC-Marconi Type A и ST&C Coles 4038).
Лазерный микрофон
Конденсаторный микрофон
Конденсаторные микрофоны составляют основную долю в выпуске и широко используются в звукозаписи, радиовещании, телевидении.
Принцип их устройства – это плоский конденсатор, состоящий из двух обкладок. Из них внешняя, обращенная к источнику звука и выполнена в виде тонкой круглой металлизированной изнутри диафрагмы, скрепленной по окружности с кольцом из диэлектрика. Второй обкладкой конденсатора служит массивное металлическое основание. Обкладки располагаются на малом друг от друга расстоянии, образуя таким образом плоский конденсатор. Последний соединяется через нагрузочное сопротивление с источником постоянного поляризующего напряжения. Под воздействием звукового давления диафрагма совершает колебания. При этом расстояние между пластинами конденсатора изменяется, соответственно изменяется и его емкость, возрастая при сближении пластин и уменьшаясь при удалении.
Конденсаторные микрофоны имеют ряд преимуществ, которые позволяют их широко использовать в студийной практике. К числу основных можно отнести следующие: низкий уровень переходных искажений (из-за малой массы диафрагмы), широкий частотный диапазон, малая чувствительность к магнитным помехам.
Однако они обладают меньшей механической и климатической стойкостью, чем динамические микрофоны, требуют дополнительного напряжения поляризации и имеют более высокую стоимость.
Кардиоидный микрофон Если вы ищете для записи звука, который находится перед и по бокам микрофона — но не позади него — кардиоидный микрофон для вас. Самый чуствительный участок усиления для кардиоиды получается в форме сердца (отсюда и название), с высокой чувствительностью, расположенной прямо перед микрофоном, и чуть менее по бокам. Из-за этого, кардиоидные микрофоны идеально подходят для записи живых выступлений, не захватывая слишком много шума толпы, и многие ручные микрофоны, используемые для усиления вокала являются кардиоидных микрофоны.
Пьезоэлектрические микрофоны (кристаллические микрофоны)
Для преобразования звуковых колебаний в электрические используется также пьезоэлектрический эффект, выражающийся в том, что при деформации некоторых кристаллов на их поверхности возникают электрические заряды, величина которых пропорциональна деформирующей силе. Наибольшим пьезоэффектом обладают кристаллы сегнетовой соли. Вырезанные особым образом пластинки из искусственно выращенных таких кристаллов и служат основным рабочим элементом пьезомпкро-фонов. По своим электроакустическим и эксплуатационным свойствам пьезомикрофоны не могут обеспечить требований, предъявляемых к профессиональным студийным и трансляционным микрофонам. Однако такие их достоинства, как простота устройства, малый вес и габариты, а также небольшая стоимость, определили их применение в любительских устройствах и некоторых типах промышленной недорогой аппаратуры.
Подразделение микрофонов
Как же их классифицируют? Есть три основных признака:
Первый признак определяет одну из главных характеристик устройства – характеристику направленности. Это зависимость его чувствительности на определенной частоте от угла падения звуковых волн.
По типу преобразователя микрофоны можно разделить на электромагнитные, динамические, электростатические, угольные и пьезоэлектрические. В профессиональных моделях применяются электростатические и динамические преобразователи.
Современные микрофоны и их применение
Эти устройства есть везде: в телефонах, в планшетах, в плеерах, в диктофонах, в фотоаппаратах и видеокамерах. Но есть и микрофоны другого рода.
Эстрадные
Данный тип создавался для сцены. В сознании зрителя эстрада ассоциируется с ручным микрофоном, который имеет рукоять и капсюль, защищенный сеткой. Да, в большинстве случаев дизайн именно такой. Ведь он отлично фиксируется в держателях. К тому же можно легко подобрать сменную сетку для ветрозащиты.
Можно разделить данный тип еще на беспроводные и проводные. Что такое микрофон беспроводного типа? Это устройство со встроенным адаптером связи, работающее на аккумуляторе.
Что говорят пользователи об эстрадных микрофонах? Отзывы разные, но сходятся они в том, что нужно выбирать модели подороже.
Студийные
Широкое применение в телевидении получили маленькие беспроводные микрофоны-петлички. Но также часто используют и ручные устройства, головные гарнитуры. В передачах можно заметить и настольные микрофоны, имеющие плоскую форму. Они почти незаметны на столах дикторов. Их главная задача состоит в фиксации всех звуков над столом.
Микрофоны для музыкальных студий
В данной категории можно также выделить определенные типы: вокальные, речевые и инструментальные. Выглядеть они могут по-разному. Речевые и вокальные между собой обычно похожи. Их можно монтировать на стойки в специальные держатели. Инструментальный тип внешне походит и на сценические, и на студийные. Их особенность – способность воспринимать нюансы и детали звука и высокая сопротивляемость сильному звуковому давлению. Для этого в них встроен аттенюатор, снижающий риск перегрузки устройства.
Микрофоны для компьютера
Что такое компьютерный микрофон – знают все. Это чаще всего недорогое устройство, которое используется для связи через различные программы. Их характеристики не впечатляют, но пользователям многого и не нужно. Выполняются они в виде гарнитур. Часто встраиваются в веб-камеры для удобства видеосвязи.
Разделение по принципу действия подразумевает две разновидности устройств: конденсаторные и динамические. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки, а также сферы применения.
Конденсаторный тип микрофонов
У таких устройств за преобразование звука в электрические сигналы отвечает, как нетрудно догадаться, конденсатор. Одна его обкладка является неподвижной, а вторая служит мембраной и под воздействием звука приходит в движение.
Этому типу микрофонов необходимо дополнительное питание, называемое фантомным. Существуют модели, в которых для этого используются батарейки.
Динамические микрофоны
В таких устройствах основным элементом, отвечающим за преобразование, является маленький динамик. Звуковые волны вынуждают колебаться мембрану с катушечным микрофоном, который помещен в постоянное магнитное поле. Помимо катушечных, есть ленточные микрофоны. Их обычно используют в студиях. Катушка в них заменена на гофрированную ленту из фольги.
Дополнительного питания динамические устройства не требуют. Они более надежны и не чувствительны к температурным перепадам. Но качество звука уступает конденсаторным.
Советы по выбору микрофона
Прежде всего нужно понять, что универсальных устройств не бывает. Конечно, если выбирается компьютерный микрофон, значения не имеет, какую модель выбрать. Но даже тут не следует выбирать самые дешевые экземпляры.
Приобретать микрофон нужно только под определенные задачи. К примеру, если необходимо записывать партии на барабанах, то необходим не один, а несколько устройств инструментального типа, которые готовы к серьезному давлению звука. Если нужно записать вокал, то хватит одного студийного вокального микрофона хорошего качества. В общем, для любой цели следует выбирать специальное устройство.
В лучшем случае покупатель переплатит, если ошибется, так как придется докупать дополнительное оборудование, если качество звука будет недостаточно хорошим. Ну а если выбран не тот тип микрофона, то в определенных условиях он будет работать не так, как положено. Тут не только денежные потери, но и временные.
Как выбрать микрофон
Назначение микрофона известно каждому – он применяется для преобразования акустических колебаний воздуха в электрические сигналы или, проще говоря, для записи звука.
Миниатюрные микрофоны мы используем ежедневно, порой даже не обращая на это внимания – они встроены в сотовые телефоны, в датчики звука, в домофоны и т.д. А вот микрофон как отдельное устройство в повседневной жизни применяется не так уж и часто.
Большинство людей испытывают потребность в отдельном микрофоне, только когда собираются поговорить с кем-нибудь по сети с помощью стационарного компьютера.
Ведь встроенными микрофонами, в отличие от ноутбуков и планшетов, обычные ПК не комплектуются.
Остальная область применения микрофонов больше связана с профессиональной деятельностью:
— конечно же, вокальные микрофоны, которыми пользуются деятели эстрады – кто в детстве не изображал поп-звезду, напевая в кулак, держащий воображаемый микрофон?
— отдельные микрофоны используются при снятии видеосюжетов – например от треска и шума ветра, неизбежного при съемке смартфоном на улице, легко избавиться, используя отдельный микрофон в «подушке» ветрозащиты.
— для записи интервью, студийных передач и ток-шоу используются микрофоны на прищепках, цепляемые к одежде участников передачи;
— если вы любите смотреть видеозаписи концертов, то наверняка замечали микрофоны, направленные на тот или иной музыкальный инструмент – это именно они отвечают за то, чтобы звук концерта достиг ваших ушей с минимумом искажений;
— студийные микрофоны используются, как понятно из названия, в студиях. Именно с их помощью создается львиная доля звукозаписей различных исполнителей и групп.
— видеоконференции в современном мире стремительно вытесняют обычные совещания – на них также часто используются отдельные микрофоны, ведь возможности встроенного в веб-камеру не всегда достаточно.
Характеристики микрофонов
Область применения, пожалуй, первое, на что надо обратить внимание при выборе микрофона. К счастью, производитель обычно не делает секрета из области применения микрофона.
Казалось бы, чего проще – нужен, к примеру, микрофон для записи звука ударной установки – бери модель с областью применения «для музыкальных инструментов» и всё получится.
Увы, не факт – вполне может оказаться, что выбранная модель предназначается записи звука бас-гитары и имеет максимальную частоту в 1000 Гц – звуки малых барабанов и тарелок ударной установки этот микрофон просто «не услышит». Хотя это может быть качественная дорогая модель с маркировкой «для музыкальных инструментов». Поэтому выбрать по одной только области применения не получится.
Тип микрофона обусловлен его конструкцией и принципом работы.
Конденсаторный микрофон в своей основе содержит конденсатор, одна из пластин которого прогибается под действием колебаний воздуха. Таким образом, емкость конденсатора меняется в соответствии со звуковым давлением и частотой воздействующего на микрофон звука.
Бытует мнение, что конденсаторные микрофоны – самые качественные, самые чувствительные и имеют самый широкий частотный диапазон. Это не совсем так – среди конденсаторных микрофонов есть модели разного качества, чувствительность их может быть небольшой, и частотный диапазон также может быть смещен вверх или вниз.
Другое дело, что конструкция конденсаторного микрофона – по сравнению с другими типами – обеспечивает минимум искажений записываемого звука. Поэтому конденсаторные микрофоны часто используются в качестве студийных и специализированных музыкальных – там, где требуется чистый и неискаженный звук.
Есть у конденсаторных микрофонов и недостатки:
— они стоят дороже моделей других типов;
— требуется подбирать предусилитель по характеристикам микрофона, микрофонный предусилитель стандартной звуковой карты, к примеру, не подойдет почти наверняка;
— требуется наличие фантомного питания.
На последнем пункте следует остановиться подробнее – фантомное питание является отличительной особенностью конденсаторных микрофонов. Фантомное питание нужно для создания разности потенциалов на конденсаторе – для этого на одну из пластин подается напряжение (обычно +48 В).
Фантомным оно называется, так как электрического тока (движения электрических зарядов) в цепи и питания, как такового, нет, но без этого напряжения микрофон работать не будет. Если вы желаете купить именно конденсаторный микрофон, обратите внимание на требование фантомного питания в характеристиках.
Если конденсаторный микрофон не требует фантомного питания, это может означать следующее:
— Это не конденсаторный, а электретный микрофон, и производитель даже не то чтобы врет, скорее, немного лукавит – электретные микрофоны являются разновидностью конденсаторных;
— Предусилитель с фантомным питанием входит в конструкцию микрофона, получающего питание от разъема (например, USB-микрофоны). Производитель уже подобрал подходящий предусилитель, и не нужно ломать голову над согласованием уровней. Для применения в связке с компьютером использование такого микрофона может стать оптимальным решением.
— Фантомное питание в нем создается с помощью батарейки (например, беспроводные конденсаторные микрофоны). Как и в предыдущем случае, здесь многое зависит от реализации схемы фантомного питания и от качества комплектующих. Как минимум, должен быть индикатор работы схемы фантомного питания, иначе может случиться ситуация, когда не будет понятно, чем вызвано падение качества звука – поломкой микрофона или разрядом батареи.
Отличие состоит в том, что вторая пластина электретного микрофона выполнена из электрета – материала, способного долгое время сохранять поверхностный заряд.
Такой микрофон фантомного питания не требует, но уровень выходного сигнала у него очень низок и практически все электретные микрофоны комплектуются простейшим усилителем на полевом транзисторе. Поэтому электретному микрофону не нужно фантомное питание для поляризации пластины, но нужно питание 1-9 В для встроенного усилителя.
На микрофонных входах, предназначенных для электретных микрофонов (например, на большинстве простых звуковых карт) питание идет через разъем по среднему контакту jack 3,5. Из-за количества контактов на разъеме (3) электретные микрофоны порой ошибочно считают стереофоническими и пытаются подключать к линейному стереовходу. Разумеется, при таком подключении микрофон не работает.
Простая, надежная и недорогая конструкция электретных микрофонов вместе с высокой чувствительностью привели к тому, что основная масса современных недорогих микрофонов относится именно к этому типу. В то же время из-за низкого качества комплектующих многих бюджетных моделей термин «электретный» часто ассоциируется у потребителя с плохой чувствительностью и зашумленным звуком низкого качества.
Многие электретные микрофоны прекрасно справляются со своими задачами – общение по сети, запись голоса для видеоблогов и подкастов им вполне можно поручить. Но для профессиональной деятельности лучше выбрать из «чистых» конденсаторных или динамических микрофонов.
В результате этих движений в катушке возникает электрический ток, который затем усиливается до нужного уровня.
Динамический микрофон более устойчив к перегрузкам, чем конденсаторный, это позволяет использовать его для записи громких звуков. Также динамический микрофон, в силу меньшей чувствительности, менее подвержен восприятию посторонних шумов.
Недостатками динамических микрофонов являются узкий частотный диапазон и менее «чистый» звук – возникающее при протекании тока в катушке собственное магнитное поле демпфирует колебания мембраны и записываемый звук искажается. Кроме того, конструкция динамического микрофона не допускает создания миниатюрных моделей – диаметр мембраны редко бывает менее 2 см диаметром.
Надежность, невосприимчивость к посторонним шумам и пик АЧХ в диапазоне частот человеческого голоса предопределяют сферу применения динамических микрофонов. В основном они применяются в качестве вокальных, т.е., для записи голоса, в том числе на открытых площадках, концертах и т.д.
Направленность микрофона определяется его конструкцией и показывает, с какой стороны от микрофона звук воспринимается лучше, с какой – хуже. Направленность микрофона тесно связана с его областью применения.
Микрофон с круговой направленностью одинаково хорошо воспринимает сигнал со всех сторон вокруг него.
Такой микрофон будет хорош для конференций.
Микрофон с кардиоидной (однонаправленной) направленностью практически не воспринимает звук, идущий сзади.
Такой микрофон может быть удобен как вокальный, для общения по сети и записи отдельных музыкальных инструментов.
Микрофоны с суперкадиоидной (узконаправленной) направленностью имеют спереди зону чувствительности уже, чем у микрофонов с кардиоидной направленностью, зато она у них протяженнее – в ней они могут улавливать звуки на большом расстоянии.
Также у таких микрофонов есть небольшая зона чувствительности сзади. Используются они для интервью, для видеосъемки и в качестве вокальных.
Микрофоны с направленностью «восьмеркой» (двунаправленные) одинаково хорошо воспринимают звуки спереди и сзади, а звуки по бокам микрофоном не улавливаются.
Такие модели используются для студийных интервью, для видеозаписи с закадровым голосом и т.д.
Единого стандарта на распайку микрофонных разъемов типа jack не существует, разъемы стереофонического динамического микрофона, электретного или конденсаторного монофонического с фантомным питанием могут выглядеть абсолютно одинаково, но иметь различное назначение контактов. Неправильное подключение в лучшем случае приведет к неправильной работе оборудования, в худшем – к его поломке.
Для разъемов типа USB (microUSB) или Lightning такой проблемы возникнуть не может, но микрофоны с таким разъемом, как правило, можно подключить только к компьютеру и для работы они требуют установки соответствующего драйвера.
Подключить такой микрофон к плееру, усилителю или микшеру, скорее всего, не получится, даже если на устройстве и есть ответный разъем.
Разъемы XLR используются на профессиональном оборудовании.
Такой разъем, как правило, находится на самом микрофоне, и кабель к нему нужно докупать отдельно.
Варианты выбора микрофонов
Если вам нужен недорогой микрофон для общения по Skype, выбирайте среди моделей с областью применения «общение по сети».
Если вас не устраивает качество звука с микрофона, встроенного в камеру, воспользуйтесь специализированным накамерным микрофоном для видеосъемки.
Если вам нужен ручной микрофон для выступлений на эстраде, выбирайте среди вокальных динамических микрофонов с кардиоидной направленностью или суперкардиоидной направленностью.
Для записи музыкальных инструментов в любом частотном диапазоне от бас-гитар до тарелок выбирайте среди конденсаторных микрофонов с минимальной частотой 40 Гц и ниже.
Для качественной записи звука на конференции вам потребуется всенаправленный настольный микрофон с высокой чувствительностью.
Для «прицельной» записи звука с источника на приличном расстоянии нужен микрофон с высокой чувствительностью и суперкардиоидной направленностью.