Микрофоны: история возникновения, типы виды микрофонов
Автор работы: Пользователь скрыл имя, 25 Октября 2014 в 17:08, реферат
Краткое описание
Микрофон — электроакустический прибор, преобразовывающий звуковые колебания в колебания электрического тока, устройство ввода. Служит первичным звеном в цепочке звукозаписывающего тракта или звукоусиления. Микрофоны используются во многих устройствах, таких как телефоны и магнитофоны, в звукозаписи и видеозаписи, на радио и телевидении, для радиосвязи, а также для ультразвукового контроля и измерения. Возможно, человеческий голос и является самым выразительным музыкальным инструментом, но в подавляющем большинстве случаев для создания музыкальной ткани обойтись только им одним не представляется возможным. Кроме того, именно инструментальная музыка выражает сущность музыки как наиболее абстрактного из всех искусств, апеллирующего непосредственно к эмоциям в обход вербального восприятия.
Прикрепленные файлы: 1 файл
ОСЗ Микрофоны.docx
Современные микрофоны – это высокотехнологичные устройства с невероятными электрическими и частотными характеристиками. Есть проводные и без проводные, с регулятором уровня и без него. Однако общая конструктивная черта у всех у них практически идентична, причем за последние почти 100 лет она не претерпела особых изменений. Рассмотрим историю создания этого электронного прибора.
Стоит отметить, что в настоящее время используется несколько типов микрофонов: угольный, конденсаторный, электретный, динамический, динамический с катушкой, пьезоэлектрический и их разновидности. Об их особенностях и принципе действия мы поговорим в статье как работает микрофон, а сейчас все же ближе к истории.
Первым был угольный микрофон. Еще в 1856 году французский ученый Дю Монсель в своих исследованиях показал, что графитовые электроды даже при небольшом изменении площади соприкосновения проводников, значительно изменяют свое электрическое сопротивление. В 1877 году первый действующий микрофон на основе угольных стержней был создан американским изобретателем Эмилем Берлинером. Год спустя в 1878 другой американец Дэвид Эдвард Хьюз немного совершенствовал конструкцию соотечественника, прикрепив к одному заостренному угольному стержню мембрану.
Несколько лет спустя великий Томас Эдисон усовершенствовал конструкцию Хьюза, использовав вместо угольных стержней порошок. Кстати именно такой тип угольного микрофона (с угольным порошком) до сих пор используется в аналоговых телефонных аппаратах. Около 25 лет инженеры и изобретатели лишь совершенствовали угольный микрофон, не прибегая к изобретению каких-либо других кардинально отличающихся типов микрофонов.
Лишь в 1916 году инженер американской компании Bell Labs Эдуард Венте изобрел конденсаторный микрофон. В нем преобразование звука в электрический сигнал происходило не за счет изменения сопротивления, а в результате изменения емкости. Вначале 20-х годов японский ученый и инженер Ёгути создал разновидность этого вида – электретный микрофон.
В 1924 году немецкие ученые Гервин Эрлах и Вальтер Шоттки создают динамический микрофон. Он работал намного качественнее угольного, а по электрическим характеристикам был лучше конденсаторного.
Еще через год в 1925 году уже российские ученые Сергей Николаевич Ржевкин и Александр Иванович Яковлев создают пьезоэлектрический микрофон, в котором для преобразования давления воздуха в электрический сигнал использовался пьезоэлектрик. На основе такой конструкции позже бил создан гидрофон – микрофон, записывающий звуки под водой.
В 1931 году американские инженеры Альберт Терес и уже знакомый нам Эдуард Венте разрабатывают и создают динамический микрофон с катушкой. Именно этот вид микрофона до сих пор используется в звукозаписывающих компаниях, так как обладает наилучшими частотными характеристиками.
Принцип работы микрофона заключается в том, что давление звуковых колебаний воздуха, воды или твёрдого вещества действует на тонкую мембрану микрофона. В свою очередь, колебания мембраны возбуждают электрические колебания; в зависимости от типа микрофона для этого используются явление электромагнитной индукции, изменение ёмкости конденсаторов или пьезоэлектрический эффект.
Свойства акустико-механической системы сильно зависят от того, воздействует ли звуковое давление на одну сторону диафрагмы (микрофон давления) или на обе стороны, а во втором случае от того, симметрично ли это воздействие (микрофон градиента давления) или на одну из сторон диафрагмы действуют колебания, непосредственно возбуждающие её, а на вторую — прошедшие через какое-либо механическое или акустическое сопротивление или систему задержки времени (асимметричный микрофон градиента давления).
Большое влияние на характеристики микрофона оказывает его механоэлектрическая часть.
Функциональные виды микрофонов
Измерительный микрофон («искусственное ухо»)
Микрофонный капсюль для телефонных аппаратов
Микрофон для применения в радиогарнитурах
Микрофон для скрытого ношения
Существует 4 основных типа микрофонов: динамические, ленточные, конденсаторные, электретные.
Динамические микрофоны включают в себя сборку из диафрагмы, голосовой катушки и магнита, которые образуют миниатюрный электрогенератор со звуковым приводом.
Динамический микрофон имеет относительно простую и соответственно экономичную и надежную конструкцию. Он может обеспечить отличное качество звука практически во всех областях применения. В частности, он может иметь дело с чрезвычайно громкими звуками. Вдобавок, динамические микрофоны относительно устойчивы к перепадам температуры и влажности. Динамические микрофоны используются в основных задачах звукоусиления.
Ленточный микрофон основан на том же принципе, что и динамический, но не имеет мембраны. Принцип работы этого микрофона заключается в том, что очень тоненькая алюминиевая ленточка почти свободно висит в магнитном поле. Ее колебания зависят от звукового давления по обеим ее сторонам. Ленточка очень чувствительна к ветру: подув на такой микрофон, можно запросто выдуть из него ленточку. Вместо нее используется маленькая полоска фольги, подвешенная в сильном поле и приводимая в движение непосредственно звуковой волной. Благодаря такой конструкции ленточный микрофон точнее передает звуки, особенно не слишком слабые, такие как речь, и поэтому хорошо подходит для речевого вещания. Но эти устройства почти никогда не применяются при видеосъемке: они слишком тяжелы для ручной штанги и не очень чувствительны. А, кроме того, сильный ветер может сбить ленту с правильного положения, что потребует дорогостоящего ремонта. Понятно, что в концертной практике такие микрофоны не нашли применения. Довольно редко их еще можно встретить на радио или в звукозаписывающих студиях в качестве раритета.
Конденсаторные микрофоны имеют в своей основе сборку из электрически заряженной диафрагмы и неподвижной пластины, которые образуют чувствительный к звуку конденсатор.
Все конденсаторные микрофоны содержат в себе активные контуры для согласования выхода элемента с типичными микрофонными входами. Это требует подачи питания на микрофон: либо при помощи батарей, либо при помощи фантомного питания (метод подачи питания на микрофон непосредственно по микрофонному кабелю). Конденсаторные микрофоны имеют два потенциально ограничивающих фактора: во-первых, электроника добавляет немного шума; во-вторых, есть предел громкости сигнала, который может обработать электроника. По этой причине спецификации на конденсаторные микрофоны содержат параметры шума и максимальную громкость звука. Хорошие модели, однако, имеют очень низкий уровень шума и могут справиться с широким динамическим диапазоном. Конденсаторные микрофоны более сложны, чем динамические, и обычно несколько дороже. Также на конденсаторы могут существенно повлиять перепады температуры и влажности, что может привести к повышению шума или временной негодности. Однако, в конденсаторных микрофонах можно добиться большей чувствительности, и более мягкого, более натурального звука, особенно на высоких частотах. Полагая АЧХ и расширенный частотный диапазон легче всего достижимы в конденсаторном микрофоне. Вдобавок, конденсаторные микрофоны могут быть сделаны очень маленькими без ущерба для характеристик. В более благоприятной среде, например в концертном зале или театре, для большинства источников звука предпочтительнее использовать конденсаторные микрофоны, особенно, когда требуется высочайшее качество звука.
Электретные микрофоны работают аналогично конденсаторным, с тем отличием, что для их работы не требуется внешний источник питания. Мембрана таких микрофонов получает электрический заряд в процессе производства, и для их питания достаточно небольшого напряжения (обычно около 1,5 Вольта), которое обеспечивается установленной в микрофоне батареей. По сравнению с конденсаторными, мембрана электретных микрофонов значительно толще, поэтому их чувствительность и частотные характеристики несколько хуже. Появившиеся недавно обратно-электретные микрофоны несколько компенсируют этот недостаток.
Микрофоны любого типа оцениваются следующими характеристиками:
акустическая характеристика микрофона
уровень собственных шумов микрофона
Чувствительность микрофона определяется отношением напряжения на выходе микрофона к звуковому давлению Р0, как правило, в свободном звуковом поле, то есть при отсутствии влияния отражающих поверхностей. При распространении синусоидальной звуковой волны в направлении рабочей оси микрофона, это направление называется осевой чувствительностью:
Рабочей осью микрофона является направление его преимущественного использования и обычно совпадает с осью симметрии микрофона. Если конструкция микрофона не имеет оси симметрии, то направление рабочей оси указывается в технических условиях. Чувствительность современных микрофонов составляет от 1–2 (динамические микрофоны) до 10–15 (конденсаторные микрофоны) мВ/Па. Чем больше это значение, тем выше чувствительность микрофона.
Таким образом, микрофон с чувствительностью −75 дБ менее чувствителен, чем −54 дБ, а с обозначением 2 мВ/Па менее чувствителен, чем 20 мВ/Па. Для ориентировки : −54 дБ это то же, что и 2,0 мВ/Па. Также надо учесть, что если у микрофона меньше чувствительность, это вовсе не означает, что он хуже.
Частотная характеристика чувствительности
Частотная характеристика чувствительности (ЧХЧ) — это зависимость осевой чувствительности микрофона от частоты звуковых колебаний в свободном поле. Неравномерность ЧХЧ, как правило, измеряют в децибелах как двадцать логарифмов (по основанию 10) отношения чувствительности микрофона на определённой частоте к чувствительности на опорной частоте (в основном 1 кГц).
Влияние звукового поля микрофона оценивается акустической характеристикой, которая определяется отношением силы, действующей на диафрагму микрофона, и звуковым давлением в свободном звуковом поле: A = F/P, а потому, что чувствительность микрофона M = U/P можно представить как U/P = U/F • F/P и выразить через А. Тогда получим: M = A • U / F. Отношение напряжения на выходе микрофона к силе, действующей на диафрагму U/F, характеризует микрофон как электромеханический преобразователь. Акустическая характеристика определяет характеристику направленности микрофона. По виду акустической характеристики, а следовательно и характеристики направленности, отличают три типа микрофонов, как приёмников звука: приёмники давления; градиента давления; комбинированные.
Диаграмма направленности является одной из основных характеристик любого микрофона и описывает его способность реагировать на звуки, поступающие с различных направлений. В этом отношении различные микрофоны могут отличаться друг от друга очень сильно: одни, например, воспринимают звук более-менее равномерно во всех направлениях, а другие реагируют только на одно какое-нибудь направление и остаются глухими к звукам со всех остальных. Эти особенности следует учитывать при выборе микрофона для того или иного приложения.
Всенаправленный микрофон имеет одинаковый выходной уровень при любом направлении. Он покрывает все 360 градусов. Всенаправленный микрофон улавливает максимальное количество пространственных звуков. При концертном применении всенаправленный микрофон должен быть расположен очень близко к источнику звука, чтобы был правильный баланс между непосредственным и пространственным звуком. Вдобавок, мы не можем отвернуть всенаправленный микрофон в сторону от ненужных источников звука, таких как порталы, что может вызвать заводку (эффект обратной связи).
зависимость от акустики помещения: не отсекают эхо;
не обеспечивают акустическую изоляцию, разве что только при малом расстоянии от источника звука до микрофона;
низкая чувствительность к звукам дыхания;
практически отсутствует эффект близости;
расширенные низкие частоты у конденсаторных микрофонов, что очень полезно при работе с органом, бас барабаном и симфоническим оркестром.
История науки и техники Com New
История микрофона
Современные микрофоны – это высокотехнологичные устройства с невероятными электрическими и частотными характеристиками. Есть проводные и без проводные, с регулятором уровня и без него. Однако общая конструктивная черта у всех у них практически идентична, причем за последние почти 100 лет она не претерпела особых изменений. Рассмотрим историю создания этого электронного прибора.
Стоит отметить, что в настоящее время используется несколько типов микрофонов: угольный, конденсаторный, электретный, динамический, динамический с катушкой, пьезоэлектрический и их разновидности.
Первым был угольный микрофон. Еще в 1856 году французский ученый Дю Монсель в своих исследованиях показал, что графитовые электроды даже при небольшом изменении площади соприкосновения проводников, значительно изменяют свое электрическое сопротивление. В 1877 году первый действующий микрофон на основе угольных стержней был создан американским изобретателем Эмилем Берлинером.
Год спустя в 1878 другой американец Дэвид Эдвард Хьюз немного совершенствовал конструкцию соотечественника, прикрепив к одному заостренному угольному стержню мембрану.
Несколько лет спустя великий Томас Эдисон усовершенствовал конструкцию Хьюза, использовав вместо угольных стержней порошок. Кстати именно такой тип угольного микрофона (с угольным порошком) до сих пор используется в аналоговых телефонных аппаратах. Около 25 лет инженеры и изобретатели лишь совершенствовали угольный микрофон, не прибегая к изобретению каких-либо других кардинально отличающихся типов микрофонов.
Лишь в 1916 году инженер американской компании Bell Labs Эдуард Венте изобрел конденсаторный микрофон. В нем преобразование звука в электрический сигнал происходило не за счет изменения сопротивления, а в результате изменения емкости. Вначале 20-х годов японский ученый и инженер Ёгути создал разновидность этого вида – электретный микрофон.
В 1924 году немецкие ученые Гервин Эрлах и Вальтер Шоттки создают динамический микрофон. Он работал намного качественнее угольного, а по электрическим характеристикам был лучше конденсаторного.
Еще через год в 1925 году уже российские ученые Сергей Николаевич Ржевкин и Александр Иванович Яковлев создают пьезоэлектрический микрофон, в котором для преобразования давления воздуха в электрический сигнал использовался пьезоэлектрик. На основе такой конструкции позже был создан гидрофон – микрофон, записывающий звуки под водой.
В 1931 году американские инженеры Альберт Терес и уже знакомый нам Эдуард Венте разрабатывают и создают динамический микрофон с катушкой. Именно этот вид микрофона до сих пор используется в звукозаписывающих компаниях, так как обладает наилучшими частотными характеристиками.
Эволюция микрофона — как появилась звукозапись?
В 1665 году английский физик Роберт Гук создал самый примитивный «микрофон» из нитки и двух стаканчиков. Если завтра все микрофоны вдруг выйдут из строя, не будет больше телефона, скайпа, ютуба, тв, радио и музыки, а все кино вновь станет немым. Как мир пришел к такой зависимости от микрофонов, как они развивались и что будет дальше?
Первые прототипы
1861 год — немецкий физик Йохан Филипп Райс изобрел звуковой передатчик.
В нем закрепленная на мембране металлическая игла касалась второго контакта, замыкая цепь при вибрации от звуковых волн. Чуть позже американский изобретатель Илайша Грэй создал жидкостный передатчик. В нем диафрагма была прикреплена к подвижной игле, погруженной в кислотный раствор. Игла соприкасалась со проводящим контактом, вибрации от звука меняли сопротивление в цепи, и звуковые волны преобразовывались в электричество.
В 1876 году Александр Белл создает похожее устройство и произносит в него первые слова по только что изобретенному телефону. Год спустя изобретатель граммофона Эмиль Берлинер довел конструкцию до ума, сделав звук сильнее и чище. Именно Берлинера считают отцом первого микрофона. К слову, Белл выкупил его патент и устроил на работу в свою Bell Telephone Company главным инженером по телефонной технике.
1878 год — Дэвид Эдвард Хьюз создал угольный микрофон.
В нем графитовая пыль, зажатая между двух мембран, меняла сопротивление цепи под воздействием колебаний от звуковых волн. Хьюз также по-своему определил слово «микрофон»: на свой девайс он ставил банку с жуками, их шуршание усиливалось примитивным усилителем. Газеты писали, что микрофон работает со звуком так же, как микроскоп со светом.
Новейший девайс не отличался идеальным звуком, по современным стандартам ловил много шумов и уйму искажений. Томас Эдисон модифицировал угольный микрофон, применив вместо пыли графитовые гранулы. Благодаря своей простоте устройство оказалось крайне надежным и нашло самое широкое применение от телефонов до радио и электрофонографов, появившихся позднее. Угольные микрофоны ставились в трубки стационарных телефонов вплоть до 70-80-х годов прошлого века.
Эра радио
1916 год — сотрудник Bell Laboratories изобретатель Е. С. Венте изобрел прототип конденсаторного микрофона.
Новое устройство, как и старые, использовало две мембраны, но вместо графитовых гранул между ними была пустота. Таким образом получался конденсатор. Движущаяся мембрана за счет колебаний от звуковых волн меняла емкость конденсатора, а, значит, и напряжение проходящего через него электричества. Пока что это был лишь прототип. Первый по-настоящему коммерчески успешный конденсаторный микрофон Neumann CMV3 (прозванный бутылкой за свою форму) в 1928 году создал Георг Нойман, основатель одноименной компании. Конденсаторные микрофоны звучат очень чисто и широко применяются для записи вокала и акустических инструментов.
1924 год — немецкие ученые Вальтер Штотки и Эрвин Герлах изобрели прототип ленточного микрофона.
В нем токопроводящая лента, колеблясь в магнитном поле, работает как диафрагма и генерирует небольшой электрический сигнал, который затем многократно усиливается. Спустя несколько лет появились достаточно мощные магниты, позволившие изобретению стать коммерчески успешным. Компания RCA выпускает ленточные PB-31 и PB-17 для радиотрансляций. Ленточные микрофоны до сих пор используются в студиях звукозаписи.
1931 год — компания Western Electric выпускает первый динамический микрофон.
Он назван 618 Electrodynamic Transmitter. Изобретатели Эдвард Венте и Альберт Турас крепят к полистироловой диафрагме катушку из тончайшей проволоки. Вместе с диафрагмой она колеблется в магнитном поле витиеватого вида магнита. Благодаря электромагнитной индукции в катушке возникает электричество. Динамические микрофоны стали важной частью звукозаписи. Модели типа Shure SM57 и SM58 стали культовыми среди гитаристов и вокалистов всего мира благодаря отличному звуку и надежности, граничащей с неразрушимостью.
1941 год — инженер компании RCA Гарри Олсон получил патент на микрофон-пушку (shotgun microphone).
Такие устройства имеют вытянутую форму и выглядят как длинная трубка. Половина этой трубки — сам микрофон, вторая половина — специальная сетка, которая не дает звуку проникать с боков устройства. Таким образом получается крайне узконаправленный микрофон, ловящий звук в небольшой области, на которую нацелен. Дизайн нашел большое применение в кинематографе и телевидении.
Эра транзистора
1957 год — инженер Раймонд Литке получает патент на первый беспроводной микрофон.
Он создан для ТВ, радио и концертных выступлений. Первые прототипы появились чуть раньше: компания Shure представила свою модель беспроводного микрофона Vagabond 88 за 5 лет до этого, а Sennheiser выпустила свой Microport одновременно с Литке.
1964 год — исследователи Bell Laboratories Джеймс Вест и Герхард Сесслер получают патент на электретный микрофон.
По принципу работы устройство похоже на конденсаторный микрофон, но неподвижная диафрагма сделана из электретного материала и держит требуемый фиксированный заряд между пластинами. Это значит, что, в отличие от конденсаторных микрофонов, новинке не нужно дополнительное питание. Первые прототипы были созданы еще в начале века японским ученым Йогучи. Правда, в начале века еще не было электретных материалов, способных долго удерживать заряд, но к 1964 году это изобретение полностью меняет мир акустики. Электретный микрофон ловит звук достаточно точно и аккуратно, при этом обладает небольшими размерами и стоит копейки. Сегодня почти любой дешевый микрофон на рынке является электретным. Производится более миллиарда таких устройств ежегодно.
1966 год — выпущен первый коммерческий микрофон с фантомным питанием +48V.
Стандарт разработан компаниями Neumann и NRK (Норвежской Вещательной Корпорацией). До этого конденсаторные микрофоны подключались с помощью специальных шнуров в предусилитель, снабжающий их радиосхемы электричеством и усиливающий сигнал. Теперь же стало возможным подключать микрофоны стандартным кабелем XLR, что упростило коммутацию в студиях и на сценах. Neumann сразу же выпускают первый в мире микрофон с фантомным питанием KM 84.
1973 год — Neumann выпускает манекен головы с микрофонами для бинауральной записи KU80.
Трудно представить, но до 60-х годов большинство записей делались в моно, и даже с появлением стереозаписи дело не менялось вплоть до 70-х. Когда же публика осознала достоинства стерео, возник интерес и к бинауральному аудио. Для его записи нужна искусственная голова с микрофонами в ушах, чтобы записываемый звук отражался от нее и вел себя в ушных раковинах так же, как это происходит со среднестатистическим человеком. Результат можно оценить только в наушниках, поэтому интерес к такому виду звукозаписи возник лишь в последнее время вместе с тем, как наушники стали способом прослушивания аудио номер один. Сегодня на ютубе можно найти множество бинауральных записей от прогулок по городу до АСМР.
1983 год — Sennheiser изобретает первый петличный микрофон-клипсу MKE 40.
Он крепится к одежде и за счет узкой направленности ловит мало посторонних звуков, поэтому сразу завоевывает признание у журналистов, актеров и музыкантов.
Цифровая эра
2002 год — появляется первый на рынке микрофон типа MEMS (микрофонная электромеханическая система).
Как и в случае с электретной моделью, MEMS изобрели задолго до появления на рынке — в 1983 году инженеры Д. Хом и Г. Сесслер. Это миниатюрные микрофоны размером с радиоэлемент на печатной плате. Причем устройство содержит не только мембрану, но и предусилитель с аналого-цифровым конвертером, поэтому может сразу выводить звук в нулях и единицах. Такой модуль нашел широкое применение в современных гаджетах.
2003 год — первый на рынке студийный цифровой микрофон Neumann Solution-D D-01.
Он самостоятельно преобразует звук в цифровой сигнал, в результате — меньше паразитных шумов и более широкий динамический диапазон. Цифровые микрофоны кинулись захватывать мир и в следующее десятилетие перешли из разряда студийных устройств в потребительский сегмент. Современные USB-микрофоны качественно записывают голос или акустический инструмент с минимумом приложенных усилий и затрат.
2016 год — Sennheiser выпускает микрофон для записи 360-градусного аудио в формате Ambisonic — Ambeo VR Mic.
Появляются и похожие микрофоны от других производителей — Rode NT-SF, Zoom H3-VR и так далее. Они записывают аудио в четырех направлениях, то есть к обычному стерео прибавляются еще два канала по вертикали. Что еще интереснее, в комплекте к таким микрофонам идет плагин, позволяющий при обработке задавать направление звука — так же, как при съемке 360-градусных видео. Кроме того, одним кликом мыши можно задать любой формат аудио при постпродакшене от стерео до 9.1, что невероятно полезно для кино и игр, особенно в VR.
Рынок студийных микрофонов для музыкальной индустрии очень консервативен, каждая культовая модель обладает своим характером, областью применения и навсегда остается актуальной. Поэтому современные артисты могут записываться в аутентичные Telefunken U47 пятидесятых годов выпуска. Новые знаковые модели появляются редко, потому что в довольно простой конструкции таких устройств сложно сделать что-то кардинально новое.
В то же время кино- и игровая индустрия, и даже видеоблоггинг активно осваивают новые технологии и экспериментируют с 3D-аудио. Поэтому в последнее время появляется множество новинок для бинауральной записи и 360-градусного аудио.
