Микрофон. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Микрофон (от греч. mikros - малый и phone-звук) - приёмник звука, представляющий собой электроакустический преобразователь, предназначенный для преобразования звуковых колебаний в воздушной среде в электрич. сигналы. В комплект M., как правило, входят помимо собственно преобразователя и другие необходимые для его практич. применения элементы: согласующие трансформаторы, предварит, усилители и др.

M., как всякий приёмник звука, характеризуется чувствительностью, диапазоном воспроизводимых частот (т. е. частотной характеристикой чувствительности), направленностью, динамич. диапазоном. Верхней границей последнего является т. н. предельный уровень звукового давления, при к-ром коэф. гармонич. искажений сигнала на выходе M. достигает 0,5-1%; ниж. граница динамич. диапазона, т. н. эквивалентный уровень звукового давления, представляет собой уровень звукового давления, при к-ром на выходе M. обеспечивается напряжение, равное напряжению шума, обусловленного собств. молекулярными шумами преобразователя, тепловыми шумами резистивных элементов, шумами предварит, усилителя и т. п. Практически во всех преобразователях M. имеется подвижный элемент (диафрагма, мембрана), способный колебаться под воздействием звукового давления н осуществляющий т. о. акусто-механич. преобразование.

В зависимости от того, каким образом формируется результирующая сила F, воздействующая на подвижную систему, все M. подразделяются на приёмники давления, градиента давления и комбиниров. приёмники. В приёмниках давления звуковое поле действует на подвижную систему с одной стороны; результирующая сила F в этом случае не зависит от направления прихода звуковой волны и M., при условии, что его размеры малы по сравнению с длиной волны, не обладает направленностью.

У градиентных приёмников подвижная система подвергается с обеих сторон воздействию звукового поля и результирующая сила определяется разностью

звуковых давлений на двух акустич. входах системы, находящихся на расстоянии d друг от друга:

, где

- угол падения звуковой волны относительно акустич. оси преобразователя. Ha-правленность такого приёмника описывается функцией cosQ, причём макс, выходной сигнал имеет место при осевом падении звуковой волны, т. е. при

, а при

выходной сигнал равен нулю.

Объединив приёмник градиента давления с приёмником давления либо электрически, либо путём построения соответствующей механо-акустич. системы, получают комбиниров. приёмник, позволяющий реализовать в зависимости от соотношения чувствитель-ностей исходных приёмников разнообразные диаграммы направленности. Чаще всего используются комбиниров. приёмники с диаграммами направленности в виде кардиоиды, суперкардиоиды и гиперкардиоиды. Для создания остронаправленных M. применяют акустич. зеркала или конструкции типа акустич. антенны бегущей волны.

По энергетич. характеристикам все M. можно разделить на две группы: M., энергия выходного сигнала к-рых обеспечивается источником питания, и M., энергия выходного сигнала к-рых обусловлена лишь преобразованием энергии звукового поля.

M., относящиеся к первой группе, являются необратимыми преобразователями; их достоинство - большая мощность выходного сигнала, позволяющая обходиться в ряде случаев без дополнит, усилителей. Типичным представителем M. первой группы служит угольный M., используемый в телефонии. Принцип его действия основан на зависимости электрич. сопротивления между частицами угольного порошка от давления, с к-рым действует на порошок диафрагма M., колеблющаяся под воздействием звукового поля. В такт с колебаниями диафрагмы изменяется ток в цепи M., подключённого к источнику питания. Выходной переменный сигнал может быть выделен с помощью трансформатора, первичная обмотка к-рого включена в цепь M. Угольные M. выполняются лишь как приёмники давления. Диапазон воспроизводимых угольными M. частот невелик - от сотен Гц до неск. кГц, однако он достаточен для обеспечения разборчивости речи. Чувствительность их составляет 200-400 мВ/Па при токе питания 10-100 мА, динамич. диапазон не превышает 30 дБ. Коэф. гармонич. искажений может достигать 10-20%.

M. второй группы могут иметь значительно более высокие эл--акустич. параметры. По принципам механо-электрич. преобразования они подразделяются на эл--динамические, эл--статические и пьезоэлектрические. Наиб, широкое применение в звукотехнике нашли эл--динамич. M.- катушечные и ленточные. У катушечного эл--динамич. M. (рис. 1) пост, магнит 1 создаёт в кольцевом зазоре 2 радиальное магн. поле, в к-ром находится звуковая катушка 3 с лёгкой диафрагмой 4 (подвижная система), закреплённой на магн. системе с помощью гофриров. воротника 5. При колебаниях диафрагмы под действием звуковых волн меняется магн. поток, пронизывающий катушку, и на её зажимах индуцируется эдс.

Эл--динамич. катушечные M. выпускаются в осн. как приёмники давления и комбиниров. приёмники. Их частотный диапазон охватывает область от 20 Гц до 20 кГц, чувствительность составляет 1-3 мВ/Па. Благодаря высоким эл--акустич. параметрам, простоте конструкции и надёжности в эксплуатации катушечные эл--динамич. M. применяются в бытовой технике, системах звукоусиления и профессиональной звукозаписи.

Более ограниченное применение находят ленточные M., у к-рых подвижной системой служит тонкая ленточка из гофриров. металлич. фольги, закреплённая между полюсами пост, магнита и являющаяся одновременно подвижным проводником. В связи с малой длиной ленточки чувствительность M. составляет всего 10- 20 мкВ/Па; для её повышения приходится предусматривать встроенный повышающий трансформатор, увеличивающий размеры и массу ленточного M. Ленточные M. чаще всего выполняются как градиентные приёмники. Они отличаются гладкими частотными характеристиками чувствительности во всём слышимом диапазоне частот.

Сред 1Р используемых M. наиб, высокими эл--акустич. параметрами обладают конденсаторные M., построенные на базе эл--статич. преобразователей (рис. 2). Подвижная система такого преобразователя представляет собой тонкую мембрану 1, являющуюся одноврем. одной из обкладок плоского конденсатора. Второй обкладкой конденсатора служит массивный неподвижный электрод 2 с отверстиями, к-рые делаются в нём для обеспечения необходимых диссипативных свойств воздушного зазора между электродами. С помощью· источника пост, напряжения U₀ в рабочем зазоре конденсатора создаётся электрич. поле. При колебаниях мембраны под воздействием звуковых волн ёмкость конденсатора меняется и через сопротивление нагрузки R протекает раз-рядно-зарядный ток г, создающий на сопротивлении Л напряжение сигнала U , повторяющего по форме акустич. сигнал. Если мембрана преобразователя выполняется из электретного материала или такой материал наносится на неподвижный электрод, то необходимость в источнике поляризующего напряжения исключается, поскольку электрет создаёт в зазоре преобразователя требуемую напряжённость поля.

Конденсаторные M. выполняются как приёмники давления, градиента давления и комбиниров. приёмники. Благодаря ничтожной массе мембраны, к-рая изготовляется из металлич. фольги или металлизиров. полимерных плёнок толщиной 3 -10 мкм, частотный диапазон конденсаторных M. часто простирается от единиц Гц до 150 кГц и выше. Чувствительность их в области звуковых частот составляет ~10 мВ/Па; динамич. диапазон собственно преобразователей конденсаторных M. достигает 130-140 дБ. Из-за высокого внутр. сопротивления эл--статич. преобразователи нельзя непосредственно подключать к длинной линии. Предварит, усилитель с большим входным сопротивлением должен располагаться непосредственно в корпусе M.

Конденсаторные M. являются осн. видом измерит, звукоприёмников для воздушной среды; они находят широкое применение и в звукотехнике. В лаб. практике, а также в дешёвых системах оповещения используются пьезоэлектрич. M., в основе к-рых находится пьезоэлектрический преобразователь с пьезоэлементом либо биморфного типа, совершающим изгибные колебания под действием звукового давления, либо в виде пьезокерамич. сферы или цилиндра. Пьезоэлектрич. измерит. M. выполняют в виде приёмников давления, градиентных и комбинированных. Весьма перспективными как для измерит, целей, так и для звукотехники представляются пьезоэлектрич. M. на основе пьезо-полимерных преобразователей, отличающиеся малым весом и (потенциально) широким частотным диапазоном.

Литература по микрофонам

Знаете ли Вы, почему "черные дыры" - фикция?
Согласно релятивистской мифологии, "чёрная дыра - это область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света (в том числе и кванты самого света). Граница этой области называется горизонтом событий, а её характерный размер - гравитационным радиусом. В простейшем случае сферически симметричной чёрной дыры он равен радиусу Шварцшильда".
На самом деле миф о черных дырах есть порождение мифа о фотоне - пушечном ядре. Этот миф родился еще в античные времена. Математическое развитие он получил в трудах Исаака Ньютона в виде корпускулярной теории света. Корпускуле света приписывалась масса. Из этого следовало, что при высоких ускорениях свободного падения возможен поворот траектории луча света вспять, по параболе, как это происходит с пушечным ядром в гравитационном поле Земли.
Отсюда родились сказки о "радиусе Шварцшильда", "черных дырах Хокинга" и прочих безудержных фантазиях пропагандистов релятивизма.
Впрочем, эти сказки несколько древнее. В 1795 году математик Пьер Симон Лаплас писал:
"Если бы диаметр светящейся звезды с той же плотностью, что и Земля, в 250 раз превосходил бы диаметр Солнца, то вследствие притяжения звезды ни один из испущенных ею лучей не смог бы дойти до нас; следовательно, не исключено, что самые большие из светящихся тел по этой причине являются невидимыми." [цитата по Брагинский В.Б., Полнарёв А. Г. Удивительная гравитация. - М., Наука, 1985]
Однако, как выяснилось в 20-м веке, фотон не обладает массой и не может взаимодействовать с гравитационным полем как весомое вещество. Фотон - это квантованная электромагнитная волна, то есть даже не объект, а процесс. А процессы не могут иметь веса, так как они не являются вещественными объектами. Это всего-лишь движение некоторой среды. (сравните с аналогами: движение воды, движение воздуха, колебания почвы). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.