Hoe een microfoon werkt, soorten microfoons

Speciale elektro-akoestische apparaten, microfoons genaamd, worden gebruikt om geluidstrillingen om te zetten in elektrische stroom. De naam van dit apparaat is gerelateerd aan een combinatie van twee Griekse woorden, die worden vertaald als "klein" en "stem".

Een microfoon is een omzetter van akoestische trillingen in de lucht in elektrische trillingen.

Het werkingsprincipe van de microfoon is dat geluidstrillingen (eigenlijk luchtdrukfluctuaties) het gevoelige membraan van het apparaat beïnvloeden, en al de trillingen van het membraan veroorzaken het genereren van elektrische trillingen, aangezien het het membraan is dat is verbonden met het onderdeel van het apparaat dat elektrische stroom opwekt, waarvan het apparaat afhangt van het type specifieke microfoon.

Op de een of andere manier worden microfoons tegenwoordig veel gebruikt op verschillende gebieden van wetenschap, technologie, kunst, enz. Ze worden gebruikt in audioapparatuur, in mobiele gadgets, in spraakcommunicatie, spraakopname, in medische diagnose en in echografisch onderzoek.ze dienen als sensoren, en op vele, vele andere gebieden van menselijke activiteit kan men eenvoudigweg niet zonder een microfoon in een of andere vorm.

Microfoons hebben verschillende ontwerpen, omdat in verschillende soorten microfoons verschillende fysieke verschijnselen verantwoordelijk zijn voor het genereren van elektrische oscillaties, waarvan de belangrijkste zijn: elektrische weerstand, elektromagnetische inductie, verandering in capaciteit En piëzo-elektrisch effect... Tegenwoordig kunnen volgens het principe van het apparaat drie hoofdtypen microfoons worden onderscheiden: dynamisch, condensator en piëzo-elektrisch. Er zijn tot nu toe echter ook koolstofmicrofoons verkrijgbaar op sommige plaatsen, en we zullen onze beoordeling ermee beginnen.

Carbon microfoon

In 1856, een Franse wetenschapper Du Monsel publiceerde zijn onderzoek, waaruit bleek dat zelfs met een kleine verandering in het contactoppervlak van grafietelektroden hun weerstand tegen de stroom van elektrische stroom behoorlijk verandert.

Twintig jaar later, een Amerikaanse uitvinder Emil Berliner creëerde 's werelds eerste koolstofmicrofoon op basis van dit effect. Dit gebeurde op 4 maart 1877.

De werking van de Berliner-microfoon was precies gebaseerd op de eigenschap om koolstofstaven in contact te brengen om de weerstand van het circuit te veranderen als gevolg van een verandering in het geleidende contactgebied.

Al in mei 1878 werd de ontwikkeling van de uitvinding gegeven David Hughes, die een grafietstaaf met puntige uiteinden en een daaraan bevestigd membraan tussen een paar koolstofcups installeerde.

Wanneer het membraan trilt door de werking van geluid erop, verandert ook het contactoppervlak van de staaf met de cups, evenals de weerstand van het elektrische circuit waarmee de staaf is verbonden. Als gevolg hiervan veranderde de stroom in het circuit na de trillingen van het geluid.

Thomas Alva Edison ging zelfs nog verder - hij verving de staaf door kolengruis. De auteur van het meest bekende ontwerp van de koolstofmicrofoon is Antonius Wit (1890). Het zijn deze microfoons die nog terug te vinden zijn in de headsets van oude analoge telefoons.

De koolstofmicrofoon is ontworpen en werkt als volgt. Het koolstofpoeder (korrels) ingesloten in een afgesloten capsule bevindt zich tussen de twee metalen platen. Een van de platen aan de ene kant van de capsule is verbonden met het membraan.

Wanneer geluid op het membraan inwerkt, trilt het en brengt het de trillingen over op het koolstofstof. De stofdeeltjes trillen, waardoor het contactgebied van tijd tot tijd met elkaar verandert. De elektrische weerstand van de microfoon fluctueert dus ook, waardoor de stroom in het circuit waarin deze is aangesloten verandert.

De eerste microfoons werden in serie geschakeld met een galvanische batterij als spanningsbron.

Wanneer een dergelijke microfoon is aangesloten op de primaire wikkeling van de transformator, is het mogelijk om het geluid dat in de tijd fluctueert met het geluid dat op het membraan inwerkt, uit de secundaire wikkeling te verwijderen. Spanning… De koolmicrofoon heeft een hoge gevoeligheid, waardoor hij in sommige gevallen zelfs zonder versterker kan worden gebruikt. Hoewel de koolstofmicrofoon een belangrijk nadeel heeft: aanwezigheid van significante niet-lineaire vervormingen en ruis.

Condensator microfoon

De condensatormicrofoon (gebaseerd op het principe van veranderende elektrische capaciteit onder invloed van geluid) is uitgevonden door een Amerikaanse ingenieur Edward Wente in 1916Het vermogen van de condensator om de capaciteit te veranderen afhankelijk van de verandering in de afstand tussen de platen was toen al bekend en bestudeerd.

Een van de condensorplaten fungeert hier dus als een dun beweegbaar membraan dat gevoelig is voor geluid. Het membraan blijkt door zijn dunheid licht en gevoelig te zijn, aangezien traditioneel dun plastic met de dunste laag goud of nikkel wordt gebruikt voor de productie ervan. Dienovereenkomstig moet de tweede condensatorplaat stationair worden gefixeerd.

Wanneer de afwisselende geluidsdruk op een dunne plaat inwerkt, zorgt dit ervoor dat deze trilt - of naar de tweede condensatorplaat beweegt en vervolgens weg beweegt. In dit geval varieert en verandert de elektrische capaciteit van zo'n type variabele condensator. Dientengevolge, in het elektrische circuit waarin deze condensator is opgenomen, elektriciteit oscillatie die de vorm herhaalt van de geluidsgolf die op het membraan valt.

Het werkende elektrische veld tussen de platen wordt gecreëerd door een externe spanningsbron (bijvoorbeeld een batterij) of door eerst een gepolariseerd materiaal aan te brengen als coating voor een van de platen (een elektretmicrofoon is een soort condensatormicrofoon).

Hier moet een voorversterker worden gebruikt, aangezien het signaal erg zwak is, aangezien de capaciteitsverandering van het geluid extreem klein blijkt te zijn, trilt het membraan nauwelijks waarneembaar. Wanneer het voorversterkercircuit de amplitude van het audiosignaal vergroot, wordt het reeds versterkte signaal gerouteerd naar de versterker… Vandaar het eerste voordeel van condensatormicrofoons — ze zijn supergevoelig, zelfs bij zeer hoge frequenties.

Dynamische microfoon

De geboorte van een dynamische microfoon is de verdienste van Duitse wetenschappers Gervin Erlach En Walter Schottky… In 1924 introduceerden ze een nieuw type microfoon, de dynamische microfoon, die veel beter presteerde dan zijn koolstofvoorganger in termen van lineariteit en frequentierespons, en zijn condensator-tegenhanger overtrof in zijn oorspronkelijke elektrische parameters. Ze plaatsten een gegolfd lint van zeer dun (ongeveer 2 micron dik) aluminiumfolie in een magnetisch veld.

In 1931 werd het model verbeterd door Amerikaanse uitvinders. Tøres En Vente… Ze boden een dynamische microfoon aan met een inductor… Deze oplossing wordt nog steeds als de beste beschouwd voor opnamestudio's.

De dynamische microfoon is gebaseerd op fenomeen van elektromagnetische inductie… Het membraan is bevestigd aan een dunne koperdraad die in een permanent magnetisch veld om een ​​licht plastic buisje is gewikkeld.

Geluidstrillingen werken op het membraan, het membraan trilt, herhaalt de vorm van de geluidsgolf, terwijl het zijn bewegingen op de draad overbrengt, de draad beweegt in een magnetisch veld en (in overeenstemming met de wet van elektromagnetische inductie) wordt een elektrische stroom geïnduceerd in de draad, de vorm van het geluid herhalend, vallend op het membraan.

Aangezien een draad met een kunststof drager een vrij lichte constructie is, blijkt deze zeer beweeglijk en zeer gevoelig te zijn, en is de door elektromagnetische inductie geïnduceerde wisselspanning aanzienlijk.

Elektrodynamische microfoons worden onderverdeeld in spoelmicrofoons (uitgerust met een diafragma in de ringvormige opening van de magneet), lintmicrofoons (waarin gegolfd aluminiumfolie als spoelmateriaal dient), isodynamisch, etc.

De klassieke dynamische microfoon is betrouwbaar, heeft een breed scala aan amplitudegevoeligheid in het audiofrequentiebereik en is goedkoop te vervaardigen. Het is echter niet gevoelig genoeg bij hoge frequenties en reageert slecht op plotselinge veranderingen in geluidsdruk - dit zijn twee van de belangrijkste nadelen.

Een dynamische lintmicrofoon onderscheidt zich doordat het magnetische veld wordt gecreëerd door een permanente magneet met poolstukken waartussen zich een dunne aluminium strip bevindt, die een vervanging is voor koperdraad.

De tape heeft een hoge elektrische geleidbaarheid, maar de geïnduceerde spanning is klein, dus deze moet aan het circuit worden toegevoegd step-up transformator… Een bruikbaar akoestisch signaal wordt in zo'n schakeling weggenomen door de secundaire wikkeling van de transformator.

Een lint dynamische microfoon vertoont een zeer uniform frequentiebereik in tegenstelling tot een conventionele dynamische microfoon.

Als permanent magnetisch materiaal gebruiken microfoons hardmagnetische legeringen met een hoge restinductie (bijv. NdFeB). Het lichaam en de ring zijn gemaakt van zachte magnetische legeringen (bijvoorbeeld elektrisch staal of permaloïde).

Piëzo-elektrische microfoon

De Russische wetenschappers Rzhevkin en Yakovlev spraken in 1925 een nieuw woord in audiotechnologie. Ze stelden een fundamenteel nieuwe benadering voor om geluid om te zetten in stroomtrillingen: een piëzo-elektrische microfoon. De werking van geluidsdruk wordt blootgesteld piëzo-elektrisch kristal.

Het geluid werkt op een membraan dat is verbonden met een staaf, die op zijn beurt is bevestigd aan een piëzo-elektrisch. Het piëzokristal wordt vervormd onder invloed van trillingen van de staaf en er verschijnt een spanning aan de uiteinden, die de vorm van het invallende geluid herhaalt. Deze spanning wordt gebruikt als nuttig signaal.