Apie mikrofonus

Straipsnio autorius: Justas Kuizinas

Ar kada susimąstėte, kokių prietaisų pagalba gali bendrauti vien tik garso žinutėmis su geriausiu draugu per „Messenger‘į“, per „Discord“ su draugais aptarinėti įvairias taktikas prieš CS:GO ar „Fortnite“ žaidimo mačą, arba tiesiog paskambinti mamai telefonu, paklausti kur padėjo uogienę ar Wi-Fi slaptažodį?

Visuose išvardintuose atvejuose vienas iš pirmųjų bei svarbiausiųjų prietaisų yra mikrofonas. Kas per dalykas tas mikrofonas ir kam išvis jo reikia, paklausite (arba ne). Į šį klausimą galima atsakyti pasitelkus vaizduotę ir ausis. Taigi, įsivaizduokite labai ploną popieriaus lapą arba šluostę, kurie tokie ploni, kad yra permatomi. Ši šluostė pūstelėjus bet kokiam vėjo gūsiui plevena pagal vėjo gūsio kryptį. Jei tas gūsis pūsteli taip pat kas kelios sekundės ar dažniau, arba kitaip sakant, periodiškai, tokiu atveju gauname garso bangą. Šių garso bangų svyravimai atsikartoja šluostėje, dar kitaip vadinama membrana.

O dabar panaudosime ausis, kuriose vyksta tas pats, kaip ir aprašytame pavyzdyje – ausyse esantis ausų būgnelis yra panašus į pavyzdžio šluostę, nes tai yra labai plonas audinys, kuris reaguoja į ateinančias garso bangas ir jas keičia į elektrinius impulsus panaudojant prie ausų būgnelio prijungtas nervines jungtis, jomis elektriniai impulsai eina į smegenis, kuriose tie impulsai yra apdorojami ir tokiu būdu sudaro girdėjimo pojūtį. Bendru atveju, panašiai veikia ir mikrofonai – garso bangas paverčia į elektrinį signalą, kuris vėliau galėtų būti visaip apdorojamas ir panaudojamas.

Kai jau žinome pagrindus, trumpai pažiūrėkime į šio svarbaus prietaiso pradžią bei kokiomis savybėmis yra apibūdinami įvairių tipų mikrofonai. Taigi, pats pirmasis mikrofonas buvo išrastas XIX a. pabaigoje. Tai buvo anglinis mikrofonas – kaip galima suprasti iš šio mikrofono tipo pavadinimo, jo veikimo principas remiasi anglies dulkių sąveika – garso bangoms veikiant membraną, ji tuo pačiu judina ir anglies dulkes, esančias už membranos. Kai membrana, atkartodama garso bangos formą, susispaudžia ir išsiplečia, tokiu pat būdu paveikia ir anglies dulkes, kadangi prie membranos ir anglies dulkių talpos yra prijungtas maitinimo šaltinis ir jis tiekia tam tikrą srovės stiprį. Kai dulkės yra susispaudžiamos, jos sutankėja ir padidėja jų laidumas, dėl ko padidėja ir srovės stiprumas, kuri turi įtakos maitinimo šaltinio (1 pav. pažymėtas E raide) tiekiamai srovei. Tokiu būdu, elektrinio signalo bangos forma tampa panaši į atėjusios garso bangos formą. Šio tipo mikrofono konstrukcija ir sudedamosios dalys parodytos 1 paveiksle:

Prieš aprašant anglinio mikrofono savybes, reikia žinoti kokiais parametrais yra apibūdinami įvairių tipų mikrofonai. Keli pagrindiniai parametrai :

• Dažninės charakteristikos plotis – panašiai kaip žmogus negali girdėti mažesnio dažnio nei 20 Hz bangų ir didesnio nei 20 000 Hz (arba 20 kilohercų, rašoma 20 kHz) bangų, taip ir mikrofonai negali „girdėti“ tam tikrų dažnių garso bangų svyravimų. Šis parametras apibūdina skirtumą tarp didžiausio ir mažiausio dažnio garso bangų, į kurias gali sureaguoti mikrofonas. Matuojama dažnio matavimo vienetais Hercais (cHz).

• Kryptinė diagrama – iš kurios pusės mikrofonas „labiausiai klausosi, ką jam sako“. Matuojama laipsniais.

• Jautrumas – kiek reikia šaukti į mikrofoną, kad iš jo gautume bent mažiausią elektrinį signalą. Matuojama milivoltais per paskalį (mV/Pa) matavimo vienetu. Jis parodo, kokią elektrinę įtampą generuoja mikrofonas esant slėgiui, lygiam 1 Paskaliui.

Be šių yra daugiau svarbių parametrų, kuriais yra aprašomos mikrofonų savybės bei skirstymas, tačiau šiam straipsniui apsiribosime šiais.

Taigi, pats pirmasis išrastas mikrofonas nepasižymėjo puikiais parametrais:

• Dažninės charakteristikos plotis tik 400 Hz – 4000 Hz;
• Turi įvairiakryptę kryptingumo diagramą.

Šio tipo trūkumai, dėl ko tokio tipo mikrofonas nėra naudojamas šiomis dienomis :

• Ribotas dažninės charakteristikos plotis;
• Pastovus šnypštimas, kuris pasireiškia aukštesniuose dažniuose (nuo 2 kHz), dėl kintančios anglies granulių varžos;
• Didelis ateinančių garso bangų iškraipymas.
• Reikalauja didelės galios nuolatinės įtampos maitinimo šaltinio.

Kitas dažnai matomas mikrofonų tipas – tai elektrodinaminiai mikrofonai. Didžioji dalis skaitytojų turbūt būsite matę šio tipo mikrofoną, kadangi jo forma yra naudojama kaip piktograma pavaizduoti mikrofonui telefono ar kompiuterio ekrane, kad, pavyzdžiui, yra įrašomas garsas arba kuri nors programėlė naudoja mikrofoną. Taip pat, tokio tipo mikrofonas yra populiarus pasirinkimas televizijos laidose, koncertuose ir įvairiuose panašiuose įrenginiuose, nes pasižymi tuo, kad yra mechaniškai atsparus vibracijoms bei smūgiams, nejautrus temperatūros ir drėgmės pokyčiams bei yra pigios konstrukcijos. Mikrofono sandara pavaizduota 5 pav. :

Tokio tipo mikrofono pagrindinės dalys yra diafragma (arba membrana), nuolatinis magnetas, kuris yra vadinamas šerdimi, bei metalinė ritė. Veikimo principas yra pagrįstas nuolatinio magneto ir judančios ritės sąveika – prie diafragmos, kuri reaguoja į garso bangas, yra pritvirtinta ritė, kuri juda lygiagrečiai aplink šerdį nuolatiniame magnetiniame lauke. Tai darydama, ritė statmenai kerta magnetinio lauko linijas ir žinant, kad kintantis magnetinis laukas generuoja kintantį elektrinį lauką, yra generuojama įtampa, kurios dydis ir signalo forma atkartoja ateinančios garso bangos dydį ir formą.

Elektrodinaminio mikrofono savybės:

• Dažninės charakteristikos plotis ≈ 40 Hz – 10 kHz, tačiau aukštuosiuose dažniuose ji kinta priklausomai nuo garso bangos kritimo kampo į diafragmą;
• Šių mikrofonų jautrumas yra palyginus mažas, apie 1-6 mV/Pa, tačiau dėl šio mikrofono sandaros inertiškumo jis mažėja ties žemaisiais (<300 Hz) ir aukštaisiais dažniais (>2 kHz), kada patenkančios garso bangos ilgis artėja prie diafragmos bei pačio mikrofono matmenų dydžio, o tai reiškia, kad didesnė garso bangos dalis atsispindi. Geriausias jautrumas pasiekiamas ties maždaug 350 Hz dažniu, ties kuriuo įvyksta visos mikrofono konstrukcijos rezonansas – taip vadinamas reiškinys, kurio metu vyksta didžiausi bangų svyravimai;
• Šių mikrofono tipų kryptingumo diagrama dažniausiai būna vienakryptinė, arba kitaip vadinama, kardioidinė diagrama. Dėl šios ypatybės mikrofonai būna dažnai naudojami įvairiuose renginiuose, kur kalbama ar dainuojama – dainininkų koncertuose, komikų pasirodymuose, prezidentų ir kitų žymių žmonių kalbose.

Kaip pavyzdį galima pasitelkti „Shure“ kompanijos modelį „SM58“, kuris yra pavaizduotas 6 pav.

Galiausiai, priėjome prie paskutinio šiame straipsnyje aptariamo mikrofonų tipo – kondensatoriniai mikrofonai. Taip pat panašūs į kondensatorinius mikrofonus yra elektretiniai mikrofonai, bet apie juos truputį vėliau. Taigi, kondensatoriniai mikrofonai naudoja elektrostatinį lauką garso bangų pavertimui į elektrinį signalą. Kondensatorinio mikrofono sandara yra plokščiojo kondensatoriaus formos – viena pusė yra plona, metalizuota membrana, kuri taip pat yra izoliuota nuo korpuso, o kita pusė yra kieta metalinė plokštė, kuri yra prijungta prie mikrofono korpuso. Plokščiojo kondensatoriaus talpa gali būti apskaičiuota pagal formulę :

Remiantis pateikta formule, keičiantis tarpui d tarp garso bangų veikiamos membranos ir statinės metalinės plokštės pagal garso bangų svyravimus, keičiasi ir minėto kondensatoriaus talpa. Tačiau šiai talpai išlaikyti reikalingas išorinis maitinimo šaltinis. Taip pat, šio tipo mikrofonams reikalingas priešstiprintuvis. Kondensatorinio mikrofono sandara pavaizduota kitame pavyzdyje:

Elektretinių mikrofonų sandara yra beveik tokia pati, tačiau nuo kondensatorinių keitiklių skiriasi vienu dalyku. Pastovus krūvis tarp mikrofono membranos ir užpakalinės plokštelės gali būti suteikiamas arba iš išorinio įtampos šaltinio išoriškai poliarizuojamiems mikrofonams, arba nuo nuolat užkrauto polimero, žinomo kaip elektretas, iš anksto poliarizuotiems mikrofonams. Šio mikrofono pavyzdys pavaizduotas 11 paveiksle:

Pastarųjų dviejų mikrofono tipų savybės :

• Dažninės charakteristikos plotis: dažniausiai 20 Hz–20 kHz, tačiau naudojant profesionalius matavimo mikrofonus, ji gali siekti ir 3,15 Hz–20 kHz;
• plokščia charakteristika per visą dažnių ruožą;
• jautrumas: SM = 8 – 50 mV/Pa;
• Turi įvairiakryptę kryptingumo diagramą, tačiau muzikos įrašymui studijose gali būti naudojami mikrofonai su kardioidine kryptingumo diagrama.

Dėl šių savybių, kondensatoriniai mikrofonai yra dažnai naudojami studijose muzikos įrašymui, o elektretiniai – daugelyje dažnai buityje sutinkamų prietaisų – išmaniuosiuose telefonuose, ausinėse su mikrofonu bei nešiojamuose kompiuteriuose. Galima paminėti ir vieną įdomų dalyką – išmaniuosiuose telefonuose yra naudojami MEMS (angl. „Micro-ElectroMechanical Systems“) tipo mikrofonai, kurie yra labai mažų matmenų bei gali iš karto perduoti skaitmeninį signalą, ne kaip visuose anksčiau aprašytuose atvejuose, kur perduodamas signalas būna analoginis, kuris tik signalą priimančiame prietaise būna paverčiamas į skaitmeninį. MEMS tipo mikrofono pavyzdys parodytas 12 paveiksle:

Taigi, šiame straipsnyje sužinojote, kokia yra mikrofonų naudojimo paskirtis, atsiradimo istorija bei dažniausiai naudojamų mikrofonų tipų savybės ir jų panaudojimo sritys.

Šaltiniai :

1. TREMAINE, H.M. Audio Cyclopedia. 2-oji laida. 1979. 148-150. ISBN 0-672-20675-7;
2. BALLOU, G., CIAUDELLI, J. ir SCHMITT, V., Handbook for Sound Engineers, G.M. BALLOU ed. Oxford: Focal Press. 2008. 489-516. ISBN 9780240809694;
3. URBAN,J. Beamforming Microphones: Polar Patterns, Biamp Blog. [interaktyvus, žiūrėta 2021-05-21]. Prieiga internetu: https://blog.biamp.com/beamforming-microphones-polar-patterns/;
4. SURE SM58 User guide [interaktyvus, žiūrėta 2021-09-18].  Prieiga internetu: https://bit.ly/3F9zQUt.