Характеристики микрофонов. Направленность. Эксплуатация.
Электретные микрофоны
Начиная с 1970-х годов, получили широкое распространение. Для диафрагмы применяется специальная металлизированная поляризованная пленка, способная удерживать длительное время заряд, что позволяет не использовать поляризующее напряжение
Из новых направлений можно отметить активно проводимые в последние годы на фирме Sennheiser работы по созданию оптических микрофонов, принцип действия которых показан на рис. 6.3.8: луч лазера падает на диафрагму, при колебаниях которой модулируется отраженный световой поток, затем с помощью фотодиода он преобразуется в переменный электрический сигнал. Первые образцы таких микрофонов уже были продемонстрированы фирмой Sennheiser на конгрессах AES.
Широкое распространение в современной практике звукозаписи получили радиомикрофоны, обеспечивающие передачу сигналов за счет частотной модуляции высокочастотных волн (обычно в диапазоне 450-950 МГц) звуковыми колебаниями. Это позволяет обеспечить беспроводную передачу сигналов на расстоянии до 100 м и более. Аналогично используется система беспроводной передачи в инфракрасном диапазоне.
По областям применения микрофоны разделяются на множество групп, отличающихся конструктивными особенностями и параметрами, — например, студийные, репортажные, для служебной связи, для систем озвучивания и т. д.
Чувствительность, SPL, соотношение сигнал шум, выходное сопротивление, размеры мембраны. Приемники давления и градиента давления. Коммутация, предварительное усиление.
К микрофонам предъявляются очень жесткие требования: — по техническим параметрам (большой динамический диапазон — до 100 дБ; широкий частотный диапазон — не менее 20- 20000 Гц; малые нелинейные искажения — меньше 1% и др.);
— по эстетическим критериям (т. к. микрофон постоянно виден зрителям на сцене, на экране телевизора, и др.);
— по надежности (поскольку микрофон подвергается различным климатическим и механическим воздействиям: ветер, влажность, температура, тряска, удары и др.);
— по качеству звучания (для сохранения естественного тембра при передаче музыки различных жанров, пения, речи и др.)
Основные параметры микрофонов, обычно указываемые в современных каталогах и технической документации, следующие:
номинальный диапазон частот (frequency range) — частотный диапазон, в котором определяются параметры микрофона (задается производителем). Для современных конденсаторных микрофонов он обычно равен 20-20000 Гц. Внутри этого диапазона определяется зависимость уровня чувствительности от частоты и другие параметры;
— чувствительность (sensitivity) — («среднеквадратичное (RSM) значение напряжения на выходе микрофона на нагрузочном сопротивлении 1 кОм на частоте 1 кГц, когда на него действует давление 1 Па (94 дБ) в условиях свободного поля (угол приема 0°)»; — определяет способность микрофона преобразовывать акустическое давление в электрическое напряжение. Она определяется отношением сигнала на выходе микрофона к сигналу на входе микрофона.
В зависимости от способа измерения различаются следующие виды чувствительности: чувствительность по свободному полю («отношение напряжения на выходе микрофона к звуковому давлению в свободном звуковом поле в рабочей точке, занимаемой микрофоном, на данной частоте. Если угол приема не указан, то имеется в виду, что угол приема (между осью микрофона и направлением падения звуковой волны) 0°», чувствительность по давлению, чувствительность по диффузному полю, чувствительность на холостом ходу, чувствительность на номинальной нагрузке. Они все имеют несколько разные значения.
— уровень чувствительности (L ДБ) — двадцать логарифмов отношения чувствительности микрофона к значению 1 В/Па. Обычно чувствительность современных конденсаторных микрофонов находится в пределах от 8 до 40 мВ/Па. Например, микрофон DPA Туре 3530 имеет чувствительность 10 мВ/Па и уровень чувствительности (- 40 дБ) (на холостом ходу), микрофон С-3000В фирмы AKG — 25 мВ/Па (-32 дБ);
— частотная характеристика чувствительности микрофона (Frequency Response) — зависимость чувствительности или уровня чувствительности от частоты в номинальном диапазоне частот.
Зависимость чувствительности микрофона от угла падения звуковой волны определяется с помощью следующих параметров:
— характеристика направленности — зависимость чувствительности микрофона на заданной частоте в свободном поле от угла падения звуковой волны. Частотные характеристики направленности определяются как семейство частотных характеристик чувствительности измеренных при разных углах падения звуковой волны в свободном поле. Эти же характеристики могут быть записаны в полярных координатах (рис. 6.3.4), показывающих зависимость уровня чувствительности (дБ) от угла падения волны (на рис. 6.3.4 окружности соответствуют различному уровню чувствительности в дБ — обычно выбирается шаг 5 дБ, — а диаметры — углу падения звуковой волны по отношению к оси в градусах). Полярные диаграммы (polar pattern) также записываются в заглушённой камере, микрофон при этом вращается вокруг оси относительно излучателя;
— коэффициент осевой концентрации определяет отношение звуковой энергии, падающей на микрофон вдоль оси, к энергии со всех остальных направлений.
Выбор микрофонов с различными характеристиками направленности определяется условиями записи: расположением источников (например, инструментов в оркестре), шириной звуковой панорамы, уровнем шумов в окружающем пространстве, стремлением получить специальные звуковые эффекты и др. Именно поэтому в настоящее время промышленностью выпускается огромное многообразие микрофонов с различными (часто переключаемыми на одном микрофоне) видами характеристик направленности;
— уровень максимального звукового давления (max SPL) — уровень звукового давления, при котором коэффициент гармонических искажений не превосходит заданного значения;
— полный коэффициент гармонических искажений (THD) определяется по методике, используемой для определения чувствительности, но при этом с помощью анализатора спектра измеряется напряжение на выходе микрофона, соответствующее первой гармонике U1, второй U2 и т. д. Обычно величина коэффициента гармонических искажений для современных микрофонов задается < 0,5% при максимально допустимых уровнях звукового давления (max SPL).
— уровень собственных шумов микрофонов: стандарт ГОСТ 16123-88 вводит параметр «уровень эквивалентного звукового давления, обусловленного помехами», который определяется как «двадцать десятичных логарифмов отношения звукового давления, вызывающего на выходе микрофона напряжение, равное напряжению, обусловленному внешними и внутренними помехами при отсутствии звукового поля, к звуковому давлению, равному 2 х 10-5 Па». Это означает, что измеряется напряжение на выходе микрофона в отсутствие звукового давления, обусловленное только внутренними шумами, и затем определяется, какому звуковому давлению оно могло бы соответствовать.
В международных каталогах на микрофоны обычно указываются следующие величины: эквивалентный уровень шума (Equivalent Noise Level) и отношение «сигнал/шум» (Signal/Noise ratio). Способы измерения несколько отличаются в разных стандартах, поэтому обычно в современных каталогах приводятся два значения эквивалентного уровня шумов: по стандарту DIN 45412 (IEC 651) и по стандарту DIN 45405 (CCIR 468-2). Например, для конденсаторного микрофона С-3000В фирмы AKG эквивалентный уровень шумов по стандарту IEC-651(DIN45-412) составляет 14 дБ-А, а по стандарту CCIR468-2(DIN45-405) — 25 дБ.
Для характеристики собственных шумов микрофонов используется также отношение «сигнал/шум», которое тоже рассчитывается двумя способами:
1) S/N ratio (DIN/IEC651) — отношение «сигнал/шум», рассчитанное как разница между опорным уровнем звукового давления 94 дБ (1 Па) и эквивалентным уровнем шума, измеренным по IEC 651;
2) S/N ratio (CCIR 468-2) — отношение «сигнал/шум», рассчитанное как разница между уровнем 94 дБ и эквивалентным уровнем шума, измеренным по CCIR 468-2. Для студийных конденсаторных микрофонов эти величины находятся в пределах 74-84 дБ ( DIN/IEC 651) и 64-74 дБ (CCIR). Например, для того же микрофона С-3000В эти отношения составляют 80 дБ и 69 дБ;
— динамический диапазон (dynamical range) — разность между максимальным уровнем звукового давления (max SPL), при котором нелинейные искажения на выходе микрофона не превышают заданную величину, и эквивалентным уровнем шума. Например, для микрофона фирмы С-3000В он равен 120 дБ;
— полное электрическое сопротивление микрофона определяется как отношение величины напряжения на выходе к результирующему току. Величина выходного электрического импеданса (output electrical impedance), т. е. модуля полного электрического сопротивления, в большинстве современных конденсаторных микрофонов находится в диапазоне 50-200 Ом, у динамических микрофонов до 600 Ом. При этом входное сопротивление предусилителей (input recommended load impedance) должно быть больше выходного сопротивления микрофона в 5-10 раз и составляет обычно 1000-2000 Ом. При таком соотношении сопротивлений обеспечиваются минимальные потери в кабеле.
Электродинамические микрофоны всех групп сложности имеют рабочий диапазон, как правило, - 40°... + 50° по температуре и 95% влажности при 20°, конденсаторные -10°... +35° и 85% влажности при 20°.
По видам характеристики направленности все микрофоны могут быть разделены на три группы: ненаправленные (omnidirectional) — приемники давления; двунаправленные (bidirectional) — приемники градиента давления; однонаправленные (unidirectional) — комбинированные.
Ненаправленные микрофоны — приемники давления (pressure microphone). Если условно изобразить микрофон (это относится к любому типу преобразования) в виде гибкой диафрагмы (мембраны) в корпусе с жесткими стенками, то переменное звуковое давление от источника звука будет воздействовать на диафрагму только с одной стороны (рис. 6.3.9а). На низких частотах, когда длина волны много больше размеров микрофона, звуковые волны со всех направлений приходят в одинаковой фазе на мембрану в пределах ее площади, т. е. микрофон как бы «не чувствует» направление их прихода. Чувствительность такого микрофона одинакова для всех направлений прихода звуковой волны; следовательно, характеристика направленности представляет собой шар, в центре которого находится ненаправленный микрофон (рис. 6.3.10). Микрофоны — Приемники давления являются ненаправленными только в области низких частот, с увеличением частоты их направленность обостряется. Такие микрофоны находят широкое применение в технике звукозаписи, особенно для записи звуков окружающего (реверберационного) пространства и шумов.
Двунаправленные микрофоны — приемники градиента давления (pressure gradient microphone). Схематически принцип работы микрофона — приемника градиента давления показан на рис. 6.3.96. В таком микрофоне независимо от принципа преобразования должен быть обеспечен доступ звуковой волны как с лицевой, так и с тыльной стороны мембраны (в корпусе микрофона делаются отверстия для доступа звуковых волн к задней части мембраны). При этом мембрана находится под действием разности (т. е. градиента) сил.
Когда угол падения звуковой волны 0° или 180°, то разность (градиент) сил воздействия максимальна, а когда угол падения 90°, то она равна нулю; отсюда зависимость чувствительности от угла падения имеет вид, показанный на рис. 6.3.10. Характеристика направленности такого типа обычно называется «восьмерка» («figure eight»). Микрофоны с такой характеристикой направленности чувствительны к звуковым волнам, падающим вдоль оси, и практически нечувствительны к звуковым волнам, падающим под углом 90° к оси. Они находят достаточно широкое применение при стереозаписи, например по системе MS.
Направленные микрофоны обладают еще одним свойством — зависимостью их уровня чувствительности от расстояния до источника. Это свойство называется «эффектом близости» (proximity effect) и объясняется тем, что на близком расстоянии микрофон находится в «ближней зоне» действия источника, т. е. в зоне распространения сферической волны. В сферической волне звуковое давление изменяется с расстоянием: р - 1/г, поэтому разность давления, которое действует на лицевую сторону мембраны, и давления, действующего на ее тыльную сторону, увеличивается за счет дополнительной разности (градиента) давлений, возникающих в сферической волне из-за разницы расстояний. За счет этого чувствительность направленного микрофона на низких частотах возрастает; по мере повышения частоты эффект перестает сказываться. Поэтому при использовании направленных микрофонов на близких расстояниях необходимо учитывать подъем частотной характеристики на низких частотах (вводя при записи необходимую коррекцию).
К числу интересных конструкций, получивших широкое распространение в студийной практике, можно отнести микрофоны пограничного слоя (PZM). Конструкция микрофона (рис. 6.3.14) включает в себя экран с установленным параллельно ему на близком расстоянии капсюлем микрофона (обычно конденсаторного). Такая установка позволяет увеличить на 6 дБ уровень звукового давления, действующего на микрофон за счет отраженной волны, и сформировать полусферическую диаграмму направленности, практически не зависящую от частоты (примером может служить модель Neumann GFM 132).
Чувствительность конденсаторного капсюля зависит как от размеров мембраны, расстояния между ней и базовым электродом, так и от поляризующего напряжения. Микрофоны для музыкального применения чаще всего имеют диаметр мембраны в пределах от 15 до 30 мм. Измерительные микрофоны имеют мембраны меньшего диаметра, вплоть до 2 – 3 мм. Микрофоны с мембраной большого диаметра (25 – 35 мм), как правило, имеют сильно зависящую от частоты диаграмму направленности, более ярко выраженную направленность в области высших частот, вследствие чего они окрашивают диффузный звук.
Угол снятия звука:
Всенаправленный микрофон 360°
Кардиоидный микрофон 131°
Суперкардиоидный микрофон 115°
Гиперкардиоидный микрофон 105°