Jak mikrofon funguje, typy mikrofonů
K přeměně zvukových vibrací na elektrický proud se používají speciální elektroakustická zařízení nazývaná mikrofony. Název tohoto zařízení souvisí s kombinací dvou řeckých slov, která se překládají jako „malý“ a „hlas“.
Mikrofon je převodník akustických vibrací ve vzduchu na elektrické vibrace.
Princip činnosti mikrofonu spočívá v tom, že zvukové vibrace (ve skutečnosti kolísání tlaku vzduchu) ovlivňují citlivou membránu zařízení a již vibrace membrány způsobují generování elektrických vibrací, protože je to membrána, která je připojena k části. zařízení generujícího elektrický proud, jehož zařízení závisí na typu konkrétního mikrofonu.
Tak či onak jsou dnes mikrofony široce používány v různých oblastech vědy, techniky, umění atd. Používají se ve zvukových zařízeních, v mobilních zařízeních, používají se při hlasové komunikaci, nahrávání hlasu, v lékařské diagnostice a při ultrazvukovém výzkumu.slouží jako senzory a v mnoha a mnoha dalších oblastech lidské činnosti se bez mikrofonu v té či oné podobě prostě člověk neobejde.
Mikrofony mají různé konstrukce, protože v různých typech mikrofonů jsou za generování elektrických oscilací zodpovědné různé fyzikální jevy, z nichž hlavní jsou: elektrický odpor, elektromagnetická indukce, změna kapacity a piezoelektrický efekt... Dnes lze podle principu zařízení rozlišit tři hlavní typy mikrofonů: dynamický, kondenzátorový a piezoelektrický. Někde jsou však zatím dostupné i uhlíkové mikrofony, jimiž naši recenzi začneme.
Karbonový mikrofon
V roce 1856 francouzský vědec Du Monsel publikoval svůj výzkum, který prokázal, že i při malé změně kontaktní plochy grafitových elektrod se poměrně výrazně mění jejich odpor vůči toku elektrického proudu.
O dvacet let později americký vynálezce Emil Berliner vytvořil první uhlíkový mikrofon na světě založený na tomto efektu. Stalo se tak 4. března 1877.
Činnost mikrofonu Berliner byla přesně založena na vlastnosti kontaktování uhlíkových tyčinek ke změně odporu obvodu v důsledku změny vodivé kontaktní plochy.
Již v květnu 1878 byl dán vývoj vynálezu David Hughes, který nainstaloval grafitovou tyč se špičatými konci a membránou k ní připevněnou mezi dvojici uhlíkových pohárků.
Když membrána vibruje působením zvuku na ni, změní se také kontaktní plocha tyče s pohárky a tím i odpor elektrického obvodu, ke kterému je tyč připojena. V důsledku toho se po vibracích zvuku změnil proud v obvodu.
Thomas Alva Edison šel ještě dál – tyč nahradil uhelným prachem. Autorem nejznámějšího designu uhlíkového mikrofonu je Anthony White (1890). Právě tyto mikrofony lze stále nalézt v náhlavních soupravách starých analogových telefonů.
Karbonový mikrofon je navržen a funguje následovně. Uhlíkový prášek (granule) uzavřený v utěsněné kapsli se nachází mezi dvěma kovovými deskami. Jedna z desek na jedné straně kapsle je připojena k membráně.
Když zvuk působí na membránu, vibruje a přenáší vibrace na uhlíkový prach. Prachové částice vibrují a čas od času mění oblast vzájemného kontaktu. Kolísá tedy i elektrický odpor mikrofonu a mění se proud v obvodu, do kterého je zapojen.
První mikrofony byly zapojeny do série s galvanickou baterií jako zdroj napětí.
Když je takový mikrofon připojen k primárnímu vinutí transformátoru, je možné eliminovat zvuk, který kolísá v čase se zvukem působícím na membránu z jejího sekundárního vinutí Napětí… Uhlíkový mikrofon má vysokou citlivost, což umožňuje v některých případech jej použít i bez zesilovače. Ačkoli uhlíkový mikrofon má významnou nevýhodu — přítomnost významných nelineárních zkreslení a šumu.
Kondenzátorový mikrofon
Kondenzátorový mikrofon (který je založen na principu změny elektrické kapacity pod vlivem zvuku) vynalezl americký inženýr Edward Wente v roce 1916Schopnost kondenzátoru měnit kapacitu v závislosti na změně vzdálenosti mezi jeho deskami byla již v té době dobře známá a studovaná.
Jedna z desek kondenzátoru zde tedy působí jako tenká pohyblivá membrána citlivá na zvuk. Membrána se díky své tenkosti ukazuje jako lehká a citlivá, protože k její výrobě se tradičně používá tenký plast s nejtenčí vrstvou zlata nebo niklu. V souladu s tím musí být druhá deska kondenzátoru pevná.
Když střídavý akustický tlak působí na tenkou desku, způsobí její vibrace – nebo pohyb směrem k druhé kondenzátorové desce a poté od ní. V tomto případě se elektrická kapacita takového typu proměnného kondenzátoru mění a mění. Výsledkem je, že v elektrickém obvodu, ve kterém je tento kondenzátor obsažen, elektřina kmitání opakující tvar zvukové vlny dopadající na membránu.
Provozní elektrické pole mezi deskami je vytvořeno buď externím zdrojem napětí (např. baterie), nebo prvotním nanesením polarizovaného materiálu jako povlaku na jednu z desek (elektretový mikrofon je typ kondenzátorového mikrofonu).
Zde je nutné použít předzesilovač, protože signál je velmi slabý, protože změna kapacity ze zvuku se ukazuje jako extrémně malá, membrána vibruje sotva znatelně. Když obvod předzesilovače zvýší amplitudu zvukového signálu, je již zesílený signál směrován k zesilovači… Proto první výhoda kondenzátorových mikrofonů — jsou super citlivé i při velmi vysokých frekvencích.
Dynamický mikrofon
Zrod dynamického mikrofonu je zásluhou německých vědců Džervin Erlach a Walter Schottky… V roce 1924 představili nový typ mikrofonu, dynamický mikrofon, který daleko předčil svého karbonového předchůdce co do linearity a frekvenční odezvy a svými původními elektrickými parametry překonal svůj kondenzátorový protějšek. Do magnetického pole umístili vlnitý pásek velmi tenké (asi 2 mikrony tlusté) hliníkové fólie.
V roce 1931 byl model vylepšen americkými vynálezci. Tøres a Vente… Nabízeli dynamický mikrofon s induktorem… Toto řešení je stále považováno za nejlepší pro nahrávací studia.
Dynamický mikrofon je založen na jev elektromagnetické indukce… Membrána je připevněna k tenkému měděnému drátu omotanému kolem lehké plastové trubice v permanentním magnetickém poli.
Zvukové vibrace působí na membránu, membrána se chvěje, opakuje tvar zvukové vlny, přičemž své pohyby přenáší na drát, drát se pohybuje v magnetickém poli a (v souladu se zákonem elektromagnetické indukce) se indukuje elektrický proud v drátu, opakování tvaru zvuku, dopadající na membránu.
Vzhledem k tomu, že drát s plastovou podložkou je poměrně lehká konstrukce, ukazuje se jako velmi mobilní a velmi citlivý a střídavé napětí indukované elektromagnetickou indukcí je významné.
Elektrodynamické mikrofony se dělí na mikrofony cívkové (vybavené membránou v prstencové mezeře magnetu), páskové mikrofony (u kterých jako materiál cívky slouží vlnitá hliníková fólie), izodynamické atd.
Klasický dynamický mikrofon je spolehlivý, má široký rozsah amplitudové citlivosti v audiofrekvenčním rozsahu a jeho výroba je levná. Není však dostatečně citlivý na vysoké frekvence a špatně reaguje na náhlé změny akustického tlaku – to jsou dvě jeho hlavní nevýhody.
Dynamický páskový mikrofon se liší tím, že magnetické pole vytváří permanentní magnet s pólovými nástavci, mezi nimiž je tenký hliníkový pásek, který je náhradou za měděný drát.
Páska má vysokou elektrickou vodivost, ale indukované napětí je malé, takže se musí do obvodu přidat zvýšit transformátor… Užitečný zvukový signál je v takovém obvodu odstraněn sekundárním vinutím transformátoru.
Páskový dynamický mikrofon vykazuje velmi jednotný frekvenční rozsah na rozdíl od konvenčního dynamického mikrofonu.
Jako materiál permanentního magnetu používají mikrofony tvrdé magnetické slitiny s vysokou zbytkovou indukcí (např. NdFeB). Tělo a kroužek jsou vyrobeny z měkkých magnetických slitin (např. elektroocel nebo permaloid).
Piezoelektrický mikrofon
Nové slovo ve zvukové technologii vyslovili ruští vědci Rževkin a Jakovlev v roce 1925. Navrhli zásadně nový přístup k přeměně zvuku na aktuální oscilace — piezoelektrický mikrofon. Působení akustického tlaku je vystaveno piezoelektrický krystal.
Zvuk působí na membránu spojenou s tyčí, která je zase připojena k piezoelektriku. Piezokrystal se působením vibrací tyče deformuje a na jeho svorkách se objeví napětí, které opakuje tvar dopadajícího zvuku. Toto napětí se používá jako užitečný signál.