Параметры. Методы измерения.

Как уже было отмечено в предыдущей статье, микрофоны являются первичным и важнейшим звеном звукозаписывающих трактов, поэтому к ним предъявляются очень жесткие требования:
- по техническим параметрам (динамический диапазон до 130-140 дБ, частотный диапазон не менее 20-20000 Гц, нелинейные искажения меньше 1% и др.),
- по эстетическим критериям (так как микрофон постоянно виден зрителям на сцене, на экране и т. д. — примером современного дизайна может служить модель Perception 420 фирмы AKG, рис. 1),
- 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.).

Требования к параметрам микрофонов и методам их измерений изложены в международных и отечественных стандартах IEC 60268 ч. 1, 4, IEC 60268 ч. 15, IEC 60581 ч. 5, IEC 61094 ч. 1-4, IEC 61842, ГОСТ 16123-88, ГОСТ 6495-88, DIN 45500 ч. 5, ANSI S1.12-97, AES-X85 и др.

Основные параметры микрофонов, обычно представляемые в современных каталогах и технической документации, приведены на примере модели TLM193 фирмы Neumann.

Acoustical operating principle (Принцип преобразования): Pressure gradient transducer (Приемник градиента давления)
Directional pattern (Характеристика направленности): Cardioid (Кардиоида)
Frequency range (Номинальный диапазон частот): 20 Hz ... 20 kHz (20 Гц … 20 кГц)
Sensitivity at 1 kHz into 1 kohms (Чувствительность на 1 кГц при 1 кОм): 18 mV/Pa (18 мВ/Па)
Rated impedance (Номинальный импеданс): 50 ohms (50 Ом)
Rated load impedance (Номинальный нагрузочный импеданс): 1 kohms (1 кОм)
Equivalent noise level, CCIR (Эквивалентный уровень шумов по CCIR): 21 dB (21 дБ)
Equivalent noise level, A-weighted (Эквивалентный уровень шумов по IEC): 10 dB-A (10 дБ-А)
Signal-to-noise ratio, CCIR rel. 94 dB SPL (Отношение сигнал/шум по CCIR): 73 dB (73 дБ)
Signal-to-noise ratio, A-weighted rel. 94 dB SPL (Отношение сигнал/шум по IEC): 84 dB (84 дБ)
Maximum SPL for THD 0.5% (Максимальный уровень звукового давления при КНИ 0,5%): 140 dB (140 дБ)
Maximum output voltage (Максимальное выходное напряжение): 13 dBu (13 дБ)
Dynamic range of the microphone amplifier A-weighted (Динамический диапазон микрофонного усилителя): 130 dB (130 дБ)
Supply voltage P48, IEC 61938 (Фантомное напряжение питания): 48 V +/- 4 V (48 В +/- 4 В)
Current consumption P48, IEC 61938 (Ток насыщения): 3 mA (3 мА)
Matching connectors (Разъемы): XLR3F
Weight (Масса): 480 g (480 г)
Diameter (Диаметр): 49 mm (49 мм)
Length (Длина): 175 mm (175 мм)

Далее будет дано подробное объяснение значений этих параметров.

Номинальный диапазон частот (frequency range) — частотный диапазон, в котором определяются параметры микрофона (задается производителем). Для современных конденсаторных микрофонов он обычно задается равным 20-20000 Гц. Для измерительных микрофонов (например, фирмы B&K) диапазон составляет 20-50000 Гц. Развитие цифровой звукотехники привело к появлению микрофонов с диапазоном частот до 50 кГц, предназначенных для студийной звукозаписи (например, модель MKH800 фирмы Sennheiser и др.).

Чувствительность (sensitivity) определяет способность микрофона преобразовывать акустическое давление в электрическое напряжение. Как всякая передаточная функция она определяется отношением сигнала на выходе микрофона, то есть напряжения U(В), к сигналу на входе микрофона, то есть звуковому давлению p(Па). Учитывая, что напряжение на выходе капсюля микрофона мало, чувствительность обычно задается в единицах мВ/Па (милливольт на паскаль): S = U/p (мВ/Па).

В зависимости от способа измерения различаются следующие виды чувствительности: чувствительность по свободному полю, чувствительность по давлению, чувствительность по диффузному полю, чувствительность на холостом ходу, чувствительность на номинальной нагрузке. Они все имеют несколько разные значения, поэтому при выборе микрофона следует обращать внимание, о какой чувствительности идет речь.

Чувствительность по свободному полю определяется по стандарту IEC 60268-4 (ГОСТ 16123-88) как "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 град".

Измерение чувствительности по свободному полю производится в заглушенной камере (специальном помещении, в котором обеспечено отсутствие отражений за счет размещения на стенках большого количества звукопоглощающего материала) следующим образом: на измерительный громкоговоритель подается синусоидальный сигнал, напряжение которого выбирается так, чтобы обеспечить постоянный уровень звукового давления (обычно 94 дБ) в заданной точке поля (обычно на расстоянии 1 м). Уровень давления измеряется специальным измерительным микрофоном малого размера (IEC 61094-4), чтобы не вносить искажений в структуру звукового поля.

Затем на это место устанавливается измеряемый микрофон и определяется его выходное напряжение. Чувствительность определяется как Sm=U/pf K, где K — коэффициент усиления микрофонного усилителя, pf — звуковое давление в точке размещения испытуемого микрофона (измеренное измерительным микрофоном), U — напряжение холостого хода на выходе микрофона. Это называется метод замещения. При измерениях может быть использован метод сравнения, когда измерительный и испытуемый микрофон сразу устанавливаются в одну точку поля. При этом если развиваемое микрофоном напряжение относится к давлению, действующему на диафрагму этого же микрофона, то эта величина называется чувствительностью по давлению (она отличается от чувствительности по свободному полю, так как микрофон сам вносит определенные искажения в структуру звукового поля и значения звукового давления за счет этого могут отличаться).

Измеренная таким образом чувствительность называется чувствительностью на холостом ходу. Если измерения напряжения проводятся на номинальном выходном сопротивлении микрофона (номинальном импедансе), которое должно указываться в технической документации, то получается значение чувствительности на номинальной нагрузке. Измерения могут быть выполнены на синусоидальном и на шумовом сигнале.

Если измерения звукового давления выполняются в условиях диффузного поля (то есть в специальных реверберационных камерах, обеспечивающих равномерное и изотропное звуковое поле за счет большого количества отражений) в рабочей точке, занимаемой микрофоном (также с предварительным использованием измерительного микрофона), на шумовом сигнале, то полученная величина отношения выходного напряжения к значению звукового давления называется чувствительностью по диффузному полю.

Существуют различные приближенные методы для измерения чувствительности микрофонов, например, с помощью пистонфона для очень низких частот, с помощью специального актюатора (создающего сильное электростатическое поле для возбуждения диафрагмы) для ненаправленных конденсаторных микрофонов, или с помощью метода взаимности.

В международных стандартах на микрофоны, например, IEC 60268-4, чувствительность (sensitivity) определяется как "среднеквадратичное (RMS) 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 град)".

В современных каталогах часто указывается уровень чувствительности, который определяется как двадцать логарифмов отношения чувствительности микрофона к значению 1 В/Па: LдБ=20lgSm/S0, где S0 =1 В/Па (или 1000 мВ/Па). Величина уровня чувствительности LдБ при этом получается отрицательная.

Обычно чувствительность современных конденсаторных микрофонов находится в пределах от 8 мВ/Па до 40 мВ/Па. Например, микрофон DPA 3530 имеет чувствительность 10 мВ/Па и уровень чувствительности -40 дБВ, микрофон AKG C3000B — 25 мВ/Па (-32 дБВ). Ведущие фирмы указывают в каталогах допустимые пределы разброса чувствительности при производстве (1-2 дБ).

Связь между значением чувствительности и уровнем чувствительности приведена в таблице.

Частотная характеристика чувствительности микрофона (Frequency Response) — зависимость чувствительности или уровня чувствительности от частоты в номинальном диапазоне частот. Измерения проводятся по указанной выше методике определения чувствительности на различных частотах внутри номинального диапазона (на синусоидальных или шумовых сигналах), рис. 2.

В настоящее время активно развиваются цифровые методы измерений микрофонов в незаглушенных помещениях (рис. 3).

На первом этапе характеристика измерительного громкоговорителя в данной точке помещения линеаризуется с помощью измерительного микрофона, затем короткий импульс подается на измерительный громкоговоритель, а сигнал, полученный с испытуемого микрофона, вводится в компьютерную измерительную станцию и с помощью преобразования Фурье вычисляются частотная характеристика чувствительности, фазовая характеристика и трехмерный спектр, что позволяет определить изменение формы частотной характеристики во времени. На рис. 4 представлены импульсные характеристики конденсаторного и динамического микрофонов, из которых видно насколько точнее конденсаторный микрофон воспроизводит временную форму сигнала.

Из записанной частотной характеристики определяется неравномерность.

Неравномерность частотной характеристики — разность максимального и минимального значения уровня чувствительности в номинальном диапазоне частот. Например, для микрофона DPA 4006 неравномерность в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц равна +/-2 дБ.

Обычно частотные характеристики высококачественных микрофонов обладает минимальной неравномерностью, это является одним из главных индикаторов качества микрофонов, поскольку определяет степень неискаженной передачи тембра источника, однако в некоторых случаях, например, для записи речи и вокала, делается подьем в области 2-8 кГц с целью увеличения разборчивости (presence peak), рис. 5. Кроме того, в большинстве современных микрофонов предусмотрена возможность коррекции частотной характеристики на низких частотах для записи в условиях шумов или для компенсации ее подъема за счет "эффекта близости" (proximity effect) у направленных микрофонов (подробнее дальше).

Направленные свойства микрофонов, то есть зависимость уровня чувствительности микрофона от угла падения звуковой волны, определяются с помощью следующих параметров.

Характеристика направленности (Directional pattern) — 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, показывающих зависимость уровня чувствительности (дБ) от угла падения волны. На рис. 5 окружности соответствуют различному уровню чувствительности в дБ (обычно выбирается шаг 5 дБ), а диаметры — углу падения звуковой волны по отношению к оси в град. Полярные диаграммы (polar pattern) также записываются в заглушенной камере, но микрофон при этом вращается вокруг оси относительно излучателя.

Коэффициент направленности — отношение чувствительности микрофона на данной частоте при падении звуковой волны под углом α к чувствительности при угле падения звуковой волны 0 град (то есть по оси): Г(α)=SM (α)/SM (0).

Индекс направленности равен двадцати десятичным логарифмам от коэффициента направленности: D=20lg Г(α).

Коэффициент осевой концентрации определяет отношение звуковой энергии, падающей на микрофон вдоль оси, к энергии со всех остальных направлений. Он определяется как отношение квадратов чувствительности, измеренной по свободному полю и по диффузному полю (при использовании третьоктавного шумового сигнала с центральной частотой f Гц):
Ω = SM (0)2/SM2диф.

Индекс осевой концентрации — десятикратный логарифм коэффициента осевой концентрации: Q=10lgΩ.

Перепад чувствительности, "фронт-тыл" — разность между уровнями чувствительности микрофонов, измеренными при углах приема 0 и 180 градусов на данной частоте в свободном поле: Q0/180=20lg {SM (0)/ SM (180)}=N0-N180.

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 выпускаются микрофоны с различными видами характеристик направленности (часто с возможностью переключения).

Уровень максимального звукового давления (max SPL) — уровень звукового давления, при котором коэффициент гармонических искажений не превосходит заданного значения. В современных студийных микрофонах этот уровень составляет 140-150 дБ при величине коэффициента гармонических искажений 0,5% на частоте 1000 Гц.

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 гармонике (U2) и т. д. Коэффициент рассчитывается по формуле:

Обычно величина коэффициента гармонических искажений для современных микрофонов составляет < 0,5%. Следует заметить, что этот коэффициент должен быть измерен для капсюля микрофона вместе с предусилителем, иногда фирмы указывают эту величину, измеряя только искажения в предусилителе (замещая капсюль эквивалентной нагрузкой), что дает заниженные значения. Поскольку измерять значения коэффициента гармонических искажений для таких высоких уровней давления очень трудно из-за искажений, возникающих в измерительных громкоговорителях, то используют различные приближенные методы (например, с помощью эквивалентных электрических цепей или пистонфона, который представляет собой жесткий корпус, куда вставляется на близком расстоянии движущийся поршень — аналог громкоговорителя – и измеряемый микрофон).

Примером могут служить значения max SPL для микрофона DPA 4004 Hi-SPL: 142 dB (<0.5% THD),148 dB (<1% THD).

Уровень собственных шумов микрофонов определяется с помощью параметра, который называется эквивалентный уровень шумов (Equivalent Noise Level). В соответствии с отечественными и международными стандартами он определяется как уровень звукового давления, который создает напряжение на выходе микрофона, равное напряжению, возникающему в нем только за счет собственных шумов при отсутствии звукового сигнала (то есть в тишине). Это можно объяснить таким образом: за счет собственных шумов на выходе микрофона всегда имеется некоторое напряжение Uш, даже если на него не падает звуковая волна. Если поместить на его место некоторый идеальный микрофон, в котором отсутствуют шумы, то чтобы создать на его выходе такое же напряжение Uш, надо чтобы на его вход поступил звуковой сигнал с определенным давлением рш. Уровень этого давления в дБ и называется эквивалентным уровнем шумов.

Он может быть рассчитан по формуле Lш=20lgUш/Sр0, где Uш — напряжение на выходе микрофона, обусловленное внешними и внутренними шумами, S — чувствительность микрофона, ро=2,10-5Па. Это означает, что измеряется напряжение на выходе микрофона в отсутствии звукового давления, обусловленное только шумами, и затем определяется по вышеприведенной формуле, какому уровню звукового давления оно будет соответствовать. Например, если при измерениях в тишине на выходе микрофона имеется напряжение равное 0,001 мВ, а чувствительность микрофона 10мВ/Па, то эквивалентный уровень шума будет равен 14 дБ-А.

Способы измерения этого параметра несколько отличаются в разных стандартах, поэтому обычно в современных каталогах приводятся два значения эквивалентного уровня шумов: по стандарту DIN 45 412 (IEC 60268-1) и по стандарту DIN 45 405 (CCIR 468-3). В первом случае при измерениях используется взвешивающая стандартная кривая А (рис. 6). Во втором случае используется другая форма взвешивающей кривой (так называемая психометрическая кривая), также показанная на рис. 6 (имеются и некоторые другие отличия в методике), обычно она применяется для измерительных микрофонов.

Для студийных конденсаторных микрофонов, эквивалентный уровень шума находится в пределах 10-20 дБ(А) (IEC179) и 20-30 дБ (CCIR 468-3). Например, для конденсаторного микрофона MKH80 фирмы Sennheiser эквивалентный уровень шумов по стандарту IEC-179 (DIN45-634) составляет 10 дБ(А), а по стандарту CCIR468-3 (DIN45-405) — 20 дБ. При выборе микрофона необходимо хорошо разбираться в таких тонких отличиях.

В ламповых микрофонах эквивалентный уровень шума выше и находится в пределах 17-23 дБ(А). В динамических микрофонах уровень собственных шумов существенно ниже, примерно на 10 дБ. Поэтому в цепи микрофон-усилитель-пульт уровень шумов определяется, в основном, последними двумя звеньями, в то же время при использовании конденсаторных микрофонов их уровень микрофонных шумов является определяющим.

В международных каталогах на микрофоны обычно указывается отношение сигнал/шум (Signal/Noise ratio), которое также рассчитывается двумя способами:
1) S/N ratio IEC 60268-1 — отношение сигнал/шум, измеренное как разница между опорным уровнем звукового давления 94 дБ (1 Па) и уровнем эквивалентного звукового давления, измеренного с взвешиванием по кривой А;
2) S/N ratio CCIR 468-3 — отношение сигнал/шум, измеренное как разница между опорным уровнем звукового давления 94 дБ (1 Па) и уровнем напряжения, соответствующего собственному шуму, измеренному с фильтром по CCIR 468-3.

Для студийных конденсаторных микрофонов эти величины находятся в пределах 74-64 дБ (CCIR468-3) и 84-74 дБ(А) (IEC-179). Например, для того же микрофона MKH80 эти отношения составляют 84 дБ и 74 дБ.

Динамический диапазон (dynamic range) — разность между максимальным уровнем звукового давления (max SPL), при котором нелинейные искажения на выходе микрофона не превышают заданную величину, и эквивалентным уровнем шумов. Например, для микрофона MKH80 он равен 126 дБ-А.

Номинальный электрический импеданс определяется из измерения модуля полного электрического сопротивления микрофона. Полное электрическое сопротивление есть отношение величины напряжения на выходе микрофона к результирующему току. Измерение модуля полного электрического сопротивления [Z] динамических микрофонов производится по схеме на рис. 7. Напряжение, подаваемое на микрофон, не должно превышать значения напряжения на выходе микрофона при воздействии предельного звукового давления, указанного в технической документации. Значения резистора R2 приближенно выбирается равным модулю импеданса микрофона [Z], суммарное сопротивление R1 и выходное сопротивление генератора должно не менее чем в 20 раз превышать ориентировочное значение [Z] микрофона на частоте 1000 Гц. На заданной частоте измеряется уровень напряжения с микрофона и резистора R2. Результат определяется по формуле: [Z]=R210(Lm-LR)/20, где LR — уровень напряжения при включенном резисторе R2, дБ; Lm — уровень напряжения при включенном микрофоне, дБ; R2 — сопротивление резистора, Ом. Обычно задается значение [Z] на частоте 1000 Гц.

Для конденсаторных микрофонов в стандарте ГОСТ 16123-88 предусмотрен также несколько другой метод, при котором микрофон замещается конденсатором равной емкости.

Величина выходного электрического импеданса (output electrical impedance), то есть 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 меньшие потери в кабеле.

Климатико-механические требования: кроме указанных выше электроакустических параметров на микрофоны задается обычно рабочий диапазон изменения температуры и влажности окружающей среды, внутри которого чувствительность не должна изменяться более чем на +/-2 дБ. Электродинамические микрофоны имеют рабочий диапазон, как правило, -40…+50 град по температуре и 95% влажности при 20 град, конденсаторные -10….+35 град и 85% влажности при 20 град. Минимальные требования к другим климатико-механическим характеристикам микрофонов различных групп сложности изложены в стандарте ГОСТ6495-88.

В спецификациях микрофонов иногда указываются также такие параметры как величина допустимого уровня снижения сигнала (preattenuation), например, на -10 дБ (могут быть и другие значения), ток насыщения (current consumption) и др.

В международных стандартах нормируются только методы измерений, параметры устанавливает фирма-производитель. В условиях жесткой конкуренции эти параметры постоянно улучшаются, примером могут служить параметры микрофона AKG C4000B (рис. 8).

Субъективная экспертиза является необходимой процедурой при выпуске новых моделей микрофонов на производстве, а также при сравнительном выборе микрофонов для звукозаписи, поскольку качество звучания микрофона, как и других видов электроакустической аппаратуры, не может быть полностью предсказано только с помощью измерения объективных параметров (в связи с тем, что проблема расшифровки слухового образа не является окончательно решенной).