Термины и определения. История.

В предыдущих статьях были рассмотрены такие виды электроакустической аппаратуры как громкоговорители, акустические системы и стереотелефоны. Следующая серия статей будет посвящена такому важнейшему для современной аудиотехники виду аппаратуры как микрофоны. Предполагается рассмотреть историю микрофонов, основные параметры и методы измерений, особенности конструкции, а также микрофонные стереосистемы и микрофоны для пространственных систем звукозаписи (Surround Sound).

Микрофон является первичным звеном в системах звукозаписи и звукоусиления (в студийных условиях, концертных залах, стадионах, производственных помещениях и др.). Выбор его параметров в значительной степени определяет качество звучания музыки и речи, которые с помощью систем радиовещания, телевидения, мультимедиа, звукозаписи и др. передаются многомиллионной аудитории слушателей. Именно поэтому к микрофонам выдвигаются особые требования по техническим, конструктивно-эстетическим характеристикам и надежности.

В соответствии с действующими международными рекомендациями IEC 268-4 и отечественным стандартом ГОСТ 16123-88 определение микрофона вводится следующим образом: "Микрофон — устройство, с помощью которого акустические колебания воздушной среды преобразуются в электрические колебания". Микрофон состоит из чувствительного элемента (капсюля) и согласующего устройства. Блок питания, предварительный усилитель и соединительные кабели входят в комплект микрофона, если они являются его неотъемлемой частью и указаны в технической документации на микрофон конкретного типа.

Современный микрофон имеет довольно сложное устройство. Пример одной из конструкций микрофона фирмы AKG показан на рис. 1: он включает в себя капсюль конденсаторного типа, предусилитель, защитный экран, систему амортизаторов для крепления капсюля, разъемы, корпус с защитной решеткой и т. д. В конструкции цифрового микрофона, например, в модели Solution-D — одной из последних разработок фирмы Neumann, вместо предварительного усилителя в корпусе установлен аналого-цифровой преобразователь и цифровой процессор для предварительной обработки звука. Многообразие конструкций микрофонов, выпускаемых в настоящее время, чрезвычайно велико и продолжает постоянно увеличиваться.

История
Из всех видов электроакустических преобразователей, используемых в современной аудиотехнике, микрофон имеет самую длинную историю. Само название "microphone" было предложено в 1827 году английским ученым Чарльзом Уитстоуном (Charles Wheatstone) и происходит от греческих слов "micro" (малый) и "phone" (звук).

Создателем первой конструкции микрофона можно считать немецкого физика Иоганна Рейса (Johann Reis), в 1861 году описавшего звуковой приемник, в котором металлический стержень, находящийся в контакте с мембраной, был включен в электрическую цепь. При движении мембраны контакт периодически размыкался, создавая в цепи переменный ток. Идея эта была продолжена американскими изобретателями Александром Беллом (Alexander Bell) и Эмилем Берлинером (Emile Berliner), последний в 1877 году запатентовал конструкцию микрофона, построенную по такому же принципу (рис. 2). Однако качество передачи речи было довольно низким.

Значительным шагом вперед была конструкция микрофона, запатентованная в 1876 году знаменитым изобретателем А. Беллом, которая представляла собой "жидкостный передатчик" (рис. 3). Принцип его устройства был довольно прост: в металлический сосуд был налит водный раствор с небольшим количеством серной кислоты, в котором "плавала" пергаментная диафрагма с присоединенной иглой (позднее — медным стержнем). Когда человек говорил в рупор, диафрагма начинала двигаться вверх-вниз, игла больше или меньше погружалась в раствор, и соответственно менялось сопротивление электрической цепи, к которой был подключен сосуд (изменение сопротивления было обратно пропорционально размеру мениска вокруг погруженной в раствор иглы). Такой "микрофон" был продемонстрирован на выставке в Филадельфии в 1876 году и подтолкнул целую группу изобретателей (Э. Берлинера, Д. Хьюга и Т. Эдисона) к созданию угольного микрофона.

Угольный микрофон, запатентованный в 1886 году Томасом Эдисоном, представлял собой чашку (рис. 4), заполненную угольными гранулами, сверху находилась металлическая диафрагма. Электрическое напряжение, приложенное между электродами, обуславливало слабый постоянный ток через гранулы. Когда диафрагма начинала колебаться под действием падающей звуковой волны, гранулы сжимались, увеличивалась площадь контактов между ними, и электрическое сопротивление между электродами падало. В результате изменения сопротивления под действием звукового сигнала на выходе трансформатора появлялся переменный ток, который усиливался и подавался к другим элементам оборудования.

Такие микрофоны имели узкий диапазон воспроизводимых частот, значительные нелинейные искажения, со временем в них появлялось большое количество тресков и шумов и т. д. Однако они были очень просты в изготовлении, создавали достаточно высокий уровень выходного сигнала (что позволяло использовать их без усилителя) и поэтому получили очень широкое распространение, особенно в телефонии. Один из образцов угольного микрофона показан на рис. 5. Массовое производство таких микрофонов продолжалось примерно до 1920 года, однако для некоторых специальных целей (в основном, для телефонов) они используются до настоящего времени.

Поиски новых принципов преобразования для микрофонов постоянно продолжались. В 1917 году Эдвард Венте (Edward Wente) в лаборатории Bell Labs (США) создал конденсаторный микрофон, который использовался вначале только для измерительных целей. С 1926 года BBC начала применять такого типа микрофоны в радиовещании, чему помогло появление ламповых усилителей (способных работать на емкостной нагрузке), изобретенных в 1907 году Ли де Форестом (Lee De Forest). В 1932 году Neumann создал модель конденсаторного микрофона CMV3, которая затем модифицировалась в модель М-7 и др. В 1947 году компания AKG представила свою первую модель лампового конденсаторного микрофона C1 (который затем модифицировался в модель CK-12), а с 1962 года начала их массовое производство. Сейчас конденсаторные микрофоны составляют основную долю в промышленном выпуске и широко используются в звукозаписи, радиовещании, на телевидении и др.

Принцип их устройства довольно прост — он представляет собой плоский конденсатор, состоящий из двух обкладок. Из них внешняя сторона, обращенная к источнику звука, выполнена в виде тонкой круглой металлизированной изнутри диафрагмы, скрепленной по окружности с кольцом из диэлектрика. Второй обкладкой конденсатора служит массивное металлическое основание. К обкладкам подводится постоянное поляризующее напряжение. Когда под действием звуковой волны диафрагма начинает колебаться, меняется емкость конденсатора, соответственно меняется заряд и генерируется переменный ток.

Конденсаторные микрофоны имеют ряд преимуществ, которые позволяют широко использовать их в студийной практике. К числу основных из них 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.

Электродинамические микрофоны появились сравнительно поздно из-за отсутствия достаточно мощных постоянных магнитов, нужную величину напряженности магнитного поля приходилось создавать с помощью больших электромагнитов.

Первый ленточный электродинамический микрофон был сделан Гарри Олсоном (Harry Olson) примерно в 1930 году, хотя принцип его был описан раньше, в 1924 году (Эрвин Герлах и Вальтер Шотке на фирме Siemens). Промышленный образец появился в 1942 году в компании RCA (рис. 6). В нем использовалась слегка гофрированная металлическая ленточка, которая двигалась под действием звуковой волны в магнитном поле, между полюсами постоянных магнитов, при этом в ней индуцировался переменный электрический ток. Первая модель такого микрофона, RCA PB-31, а затем и PB44А произвели своего рода революцию в звукозаписи, поскольку позволяли получить значительно лучшие характеристики и качество звучания.

Микрофоны такого типа выпускаются до настоящего времени в относительно больших количествах. Они обеспечивают довольно широкий диапазон частот, чистое и "теплое" звучание, поэтому широко используются в звукозаписи.

Динамический катушечный микрофон был реализован Аланом Блюмлайном в 30-х годах на фирме EMI с применением электромагнитов (хотя идея такого микрофона была запатентована В. Сименсом еще в 1878 году). Он использовал диафрагму из целлюлозы, покрытой алюминиевой фольгой, и прикрепленную к ней катушку из анодированного алюминия. С 1936 года модель такого микрофона HB1A (рис. 7) начала использоваться в звукозаписи на новой телевизионной студии BBC и звукозаписывающей студии фирмы EMI.

Позднее, после войны, с появлением мощных постоянных магнитов начался промышленный выпуск динамических катушечных микрофонов на фирмах AKG, Neumann и др., и в настоящее время это один их самых массовых типов микрофонов.

Принцип действия электродинамических катушечных микрофонов основан на том, что при воздействии звуковой волны на легкую диафрагму она начинает колебаться и приводит в движение связанный с ней проводник (звуковую катушку), помещенный в постоянное магнитное поле. При движении проводника с током в магнитном поле в нем индуцируется электрический сигнал, который затем усиливается и передается для дальнейшей обработки.

Электродинамические микрофоны обладают рядом преимуществ: устойчивостью к перегрузкам, стабильностью работы в различных климатических условиях, прочностью конструкции и др.

Электретные пленочные микрофоны были разработаны Герхардом Сесслером (Gerhard Sessler) и Джеймсом Вестом (James West) в 1962 году на фирме Bell Labs. В них для подвижной диафрагмы использовалась тонкая металлизированная поляризованная пленка, способная держать заряд, что позволило отказаться от устройств, обеспечивающих высокое постоянное напряжение (фантомное питание) на пластинах конденсатора. Это значительно облегчило технологию их изготовления и снизило стоимость. Поэтому электретные преобразователи в настоящее время нашли широкое применение в петличных микрофонах, сотовых телефонах, компьютерах и др.

Наряду с совершенствованием принципов преобразования постоянно проводились работы по созданию микрофонов с регулируемой характеристикой направленности: первые конденсаторные и угольные микрофоны были ненаправленными, ленточный микрофон имел направленность в виде "восьмерки". Впервые на фирме Western Electric была создана конструкция микрофона с характеристикой направленности в виде кардиоиды, объединяющая в одном капсюле ленточный микрофон ("восьмерка") и динамический (ненаправленный). На фирмах Neumann, AKG и др. были разработаны модели конденсаторных микрофонов с двумя диафрагмами, позволяющими создавать различные варианты характеристик направленности (круг, кардиоида, восьмерка, суперкардиоида и др.). Компания AKG в 1953 году выпустила первую модель микрофона C-12 со сдвоенными мембранами, ламповым усилителем и специальным блоком, позволяющим переключать характеристики направленности. Он выпускался до 1963 года, затем на смену ему пришла модель ELAM 251, которая пользовалась популярностью почти до настоящего времени.

Таким образом, к концу XX века в практике звукозаписи использовались, в основном, микрофоны следующих четырех типов: конденсаторные, электретные, динамические катушечные и ленточные. Однако поиски новых принципов преобразования акустического сигнала в электрический продолжаются.

Одним из наиболее перспективных направлений, которым на протяжении последних нескольких лет занимаются фирма Sennheiser совместно с израильской фирмой Phone-Or, является создание оптических микрофонов.

Оптические микрофоны используют принцип модуляции интенсивности лазерного светового луча: луч света от лазерного источника направляется по оптоволокну и освещает мембрану микрофона. При колебаниях мембраны световой поток модулируется (по интенсивности) и направляется по второму оптоволокну на фотодиод, который преобразует сигнал в переменный ток (рис. 8). При таком принципе не используется преобразование колебаний мембраны непосредственно в электрический сигнал, как в обычных микрофонах. Мембрана может быть вообще размещена на расстоянии несколько десятков (сотен) метров от источника света и фотодиода из-за низких потерь при передаче сигнала по оптоволокну (потери составляют меньше 3 дБ на 1 км оптоволокна). Микрофон не производит никаких электромагнитных излучений (ни за счет капсюля, где в других типах микрофонов обычно размещен предусилитель, ни за счет кабелей), и сам нечувствителен к электромагнитным, электростатическим и радиоактивным полям. Из-за малых размеров он может быть размещен в любом труднодоступным месте (при этом его трудно обнаружить известными методами) и может работать в сильных магнитных, электрических или радиополях.

Кроме вышеперечисленных, относительно давно были созданы пьезоэлектрические микрофоны, в которых в качестве преобразователя используются или пьезоэлектрические кристаллы (например, типа PZT), или керамика (например, пластины из титаната бария). После поляризации они приобретают свойства преобразовывать механические деформации в электрический ток (по этому же принципу работают пьезосниматели в электромузыкальных инструментах). Такие микрофоны обладают хорошей стабильностью, воспроизводят диапазон 80-6500 Гц (есть варианты до 16 кГц), имеют высокий выходной импеданс порядка 100 кОм, что требует нагрузочного импеданса 1-5 МОм (это хорошо согласуется, например, с ламповыми усилителями), чувствительность -30 дБ. Примером такой конструкции может служить модель Electro-Voice 951 (рис. 9), выпущенная в 1966 году.

Применение новых технологий позволило создать сверхминиатюрные MEMS-микрофоны (MEMS — микроэлектромеханические системы). Они называются также "микрофонные чипы" или "кремниевые микрофоны". В них используется конденсаторный или пьезоэлектрический тип преобразования (ведутся работы по применению оптических и других способов преобразования). Технология их изготовления была представлена в 1994 году на конгрессе AES Герхардом Сесслером (Технический университет г. Дармштадт, Германия). На кремниевую подложку напыляется материал мембраны. На заднюю поверхность подложки наносится защитный слой. Затем со стороны задней поверхности гравируются (вытравливаются) V-канавки. Примеры кремниевого микрофона на двух склеенных подложках и на одной подложке показаны на рис. 10. На одной кремниевой подложке находится мембрана с металлизированным слоем и V-канавками, на другой выгравированы сплошные отверстия и она служит неподвижным металлизированным электродом. Обе подложки склеены. Между ними находятся прокладки для формирования воздушного зазора. Под действием звуковой волны мембрана колеблется, изменяется емкость конденсатора и создается переменный электрический сигнал. Для такого микрофона необходим источник постоянного напряжения. Сейчас изучаются способы создания микрофонных чипов с электретным и пьезоэлектретным принципом преобразования.

Преимуществами микрофонных чипов являются малые размеры (площадь мембраны ~1 кв. мм), возможность интегрировать в этот же микрофонный чип усилители, АЦП, цифровые процессоры и другие устройства, создавать на одном чипе решетку таких микрофонов и с помощью цифровых процессоров формировать их характеристики направленности. Основные производители MEMS-микрофонов — фирмы Analog Devices, Akustica (AKU200x), Infineon (SMM310), Knowles Electronics, Memstech (MSMx), NXP Semiconductors, Sonion MEMS, AAC Acoustic Technologies и Omron.

Наряду с развитием и совершенствованием принципов преобразования в микрофонах акустической энергии в электрическую, начиная с 30-х годов ХХ века шли работы по совершенствованию их конструкций, как в отдельных типах микрофонов, так и в создании микрофонных систем. В 30-е годы, после появления патента Блюмлайна, посвященного стереотехнике (в звукозаписи, радиовещании и др.), начали развиваться стереосистемы микрофонов: XY, MS и др. В 60-80-е годы появилось огромное многообразие конструкций: микрофоны пограничного слоя (PZM), параболические микрофоны, остронаправленные микрофоны (shotgun), петличные (lavalier), "искусственная голова" и многие другие.

Перевод аудиотехники на цифровые методы обработки привел к появлению нового поколения пространственных систем звукозаписи и звукопередачи (Surround Sound), что обусловило появление цифровых микрофонов (типа Neumann Solution-D) и специальных микрофонных систем (например, Soundfield).

Подробнее об этом будет рассказано в следующих статьях.

Промышленное производство микрофонов в настоящее время достигает десятков миллионов штук в год. Разработкой и производством микрофонов занимаются такие фирмы как Neumann, Sennheiser, Beyerdynamic, AKG, Shure, Sony, DPA, Октава и многие другие.