Mikrofon

Mikrofon er akustoelektrisk omformar som omformar lydtrykk til eit elektrisk signal^[1]. Mikrofonar har ein membran som vert sett i rørsle når trykket varierer. Membranrørsla vert så konvertert til ei elektrisk spenning, enten ved hjelp av ein variabel kapasitans (kondensatormikrofon), ved hjelp av elektromagnetisk kopling (svingspole- og bandmikrofon), pizoelektrisk omforming eller optisk kopling (lasermikrofon).

Mikrofonar vert nytta til mange føremål, som opptak av tale og musikk i konsertsalar, på sener, i opptaks- og kringkastingsstudio, i samband med forsterkingsanlegg av tale i forsamlingslokale, i store i telefonrøyr og så bortetter. Eit anna bruksområde er laboratoriemålingar, måling av støy og så vidare. Desse bruksområda sett ulike krav til mikrofonane og det finst difor mange ulike mikrofontypar.

Arbeidsprinsipp

Mikrofonar er transduserar som konverterer energien i lydbølger til elektrisk energi. Spenninga på utgangsterminalane er anten proporsjonal med farten til membranen (hastigheitskonvertering), eller med utslaget til membranen (utslagskonvertering)^[2]. Svingspole- og bandmikrofonar er døme på mikrofonar som nyttar hastigheitskonvertering, medan kondensator- og piezoelektriske mikrofonar er døme på mikrofonar som nyttar utslagskonvertering. Dette avsnittet handsamar omnidireksjonale trykkmikrofonar. Retningsfølsame mikrofonar vert handsama i eit eige avsnitt. Sjølv om alle moderne bandmikrofonar er retningsfølsame vert arbeidsprinsippet handsama her.

Kondensatormikrofonar

Prinsippskisse for ein kondensatormikrofon.

Kondensatormikrofonar har ei plate i stutt avstand attom membranen, som er polarisert i høve til membranen^[3]^[4]. Polarisjonespenninga varierer etter type. Labroatoriemikrofonar har ofte ei polarisasjonsspenning $E_{0}$ på 200 V^[5], medan dei fleste studiomikrofonar nyttar 48 V^[4]. Membranen og bakplata fungerer som ein kondensator, med kapasitans

$C={\frac {\epsilon S_{D}}{d}}$ ,

der $\epsilon$ er permittiviteten til luft (8,8541 Farad/m), $S_{D}$ er det effektive membranarealet og $d$ er avstanden mellom membranen og bakplata. Når lufttrykket varierer vil òg avstanden mellom membranen og bakplata variera, som i sin tur fører til at kapasitansen varierer proporsjonalt med variasjonen i lufttrykket. Polarisasjonsspenning vert tilført gjennom ein svært stor motstand, så ladninga $Q$ på membranen vinn ikkje å endra seg. Etter som ladninga

$Q=CE$ ,

der

$E=E_{0}+e(t)$ ,

of $e(t)$ spenningsendringa, må spenninga $E$ endra seg når kapasitansen endrar seg. Endringa i spenning, $e(t)$ , som er mykje mindre enn polarisjonsspenninga $E_{0}$ , er proporsjonal med lydtrykket. For å separera signalspenninga $e(t)$ frå polarisasjonsspenninga $E_{0}$ vert det nytta ein koplingskondensator. Ein slik kondensatormilrofon har svært høg utgangsimpedans og utsignalet $e(t)$ er svakt. Kondensatormikrofonar har difor innebygd ein forsterkar, plassert i same kapsel (mikrofonhus) som sjølve mikrofonelementet. Det vert ofte nytta ein JFET-transistor i inngangen på denne forsterkaren.

Resonansfrekvensen til omnidireksjonale kondensatormikrofonar er plasser ved øvre ende av frekvensområdet. Membranutslatet vert difor frekvensuavhengig, og etter som utspenninga er proporsjonal med membranutslaget vert førsamheitsresponsen (frekvensresponsen) flat.

Alle laboratoriemikrofonar (målemikrofonar) er kondensatormikrofonar. Det er òg dei fleste opptaksmikrofonane nytta for å ta opp musikk i konsersalar, i opptaksstudio, kringkastinsstudio og så vidare. Grunnen til dette er mellom anna at kondensatormikrofonar har låg forvrengning, rett frekvensrespons og at dei er tilgjengelege med forskjellige polarresponsar.

Elektretmikrofon er ein kondensatormikrofon som har ei permanent ladning på membranen, slik at dei ikkje treng ekstern polarisasjonsspenning^[6]. Dette gjer at dei vert billigare og kan brukast saman med utstyr som ikkje kan levera ei 48 V polarisasjonespenning. Elektretmikrofonar var tidlegare ikkje av same kvalitet som kondensatormikrofonar med ekstern polarisasjonsspenning, men det er gjort store framsteg dei siste åra og det finst no gode elektretmikrofonar.

Svingspolemikrofonar

Svingspolemikrofonar vert ofte kalla dynamiske mikrofonar i daglegtalen, men etter som så godt som alle mikrofonar er dynamiske, på den måten at di er oppbygde i form av eit dynamisk mekanisk system (mekaniske komponentar i rørsle), er dette namnet ikkje særleg beskrivande.

Svingspolemikrofonar har ein ein membran festa til mikrofonhuset med eit fjærande oppheng i periferien til membranen^[4].. Til membranen er det festa ein svingspole, som vert set i rørsle når innfallande lydbølgjer set membranen i rørsle. Svingspolen rører seg i eit magnetfelt, generert av ein permanentmagnet. Når memranen og svingspolen bevegar seg i det magnetiske feltet vert det generert ei elektrisk spenning $e_{o}$ (V) i svingspolen. Spenninga er proporsjonal med farten til leiaren i svingspolen i høve til det magnetiske feltet:

e_{o}=Blu

,

der B er den magnetiske flukstettleiken (Tesla), l er lengda (m) til den elektriske leiaren som utgjer viklingane i svingspolen og u er farten (m/s).

Massen til membranen og fjørstivheita til membranen utgjer ein 2. ordens resonator, med resonansfrekvens

f_{s}={\frac {1}{2\pi {\sqrt {M_{MS}C_{MS}}}}}

,

der $M_{MS}$ er den dynamiske massen til membranen, inkludert luftlast, og $C_{MS}$ er den inverse fjørstivheita til opphenget. På omnidireksjonale svingspolemikrofonar vert resonansfrekvensen plassert ved det geometriske sentret mellom nedre og øvre grensefrekvens. Dette fører til at farten til membranen aukar med 6 dB/oct i området under $f_{s}$ og fell med 6 dB/oct, i området over $f_{s}$ . For å få eit flat følsamheitsrespone må farten til membranen vera uavhengig av frekvensen. Dette vert oppnådd ved kraftig demping av reonansen, ofte i form av ein silkeduk mellom fremre og bakre kammer. Dempinga kan likevel ikkje vera for kraftig, etter som dette fører til at førsamheita då vert før lita. For å auka bandbreidda er det vanleg å plassera Helmholzresonatorar ved nedre og øvre ende av frekvensområdet. Diffraksjon gjev og eit løft i den øvre enden av frekvensresponsen og denne vert nytta for å auka bandbreidda.

Svingspolemikrofonare har ikkje like gode data som kondensatormikrofonar, men dei er av dei mest robuste mikrofontypane. Mikrofonkapsulen er ofte festa til det ytre huser med eit elastisk oppheng som dempar vibrasjonar og gjer at mikrofonen toler ein støyt. Dei overlever vanlegvis hardhendt handsaming, som å detta i golvet når eit mikrofonstativ bikkar. Dei vert difor nytta til oppgåver der dei får hardhendt handsaming og/eller der krava til kvalitet ikkje er spesielt høge. Typiske døme er taleforsterkning på flyplassar, jarnbanestasjonar, bingohallar, og liknande. Nokre typar vert òg nytta av songarar.

Bandmikrofonar

Ein bandmikrofon har ein leiande membran (ofte aluminium) plassert i eit magnetfelt, sett opp av ein permanentmagnet. Når membranen vert set i rørsle av innfallande lydbølgjer vert det generert ei elektrisk spenning

e_{o}=Blu

,

der B er den magnetiske flukstettleiken (Tesla), l er lengda (m) til den elektriske leiaren som utgjer viklingane i svingspolen og u er farten (m/s). Som for ein svingspolemikron er spenninga proporsjonal til farten på membranen i høve til magnetfeltet^[4].

Membranen kan ha ei lengd på 5 - 6 cm og ei breidd på 5 - 6 mm. Bredda på luftgapet i den magnetiske krinsen er litt større enn breidda til membranen. Medan svingspolen i ein svingspolemikrofon har mange turn, er det membranen som fungerer som spole i ein bandmikrofon. Lengda på leiaren i magnetfeltet er difor den same som lengda til membranen (5 - 6 mm). Dette fører til ei svært låg utgangsspenning, så bandmikrofonar har ein innebygd transformator som transformer opp spenninga på utgangsterminalane. Denne transformatoren er ein kritisk komponent som er med på å auka prisen.

Medan svingspolemikrofonar vert laga både med omnidireksjonal og direksjonal (ofte nyre) polarrespons, har bandmikrofonar åttetalkarakteristikk. Dette kjem av at membranen er open på begge sider, slik at det på grunn av trykkgradienten oppstår ein trykkdifferanse

\Delta p={\frac {f_{d}}{S_{D}}}=uj\omega \rho _{0}\Delta l\cos(\theta )

,

mellom dei to sidene av membranen, der $f_{D}$ er krafta på membranen, $S_{D}$ er effektivt membranareal, $u$ er farten til membranen, $\omega$ er vinkelfrekvensen, $\rho _{0}$ er tettleiken til lufta, $\Delta l$ er lengda mellom fram- og baksida til membranen og $\theta$ er vinkelen mellom den innfallande lydbølgja og normalen på membranen.

Trykkgradienten, og difor $\Delta p$ , er proporsjonal med frekvensen $\omega$ , men på grunn av at resonansfrekvensen til bandmikrofonar er plassert i nedre ende av frekvensområdet er farten $u$ til membranen invers proporsjonal med frekvensen. Følsamheita vert difor uavhengig av frekvensen.

For å bryta opp eigenfrekvenar (resonansar) i membranen er han korrugert. Membranen har i utgangspunktet for lite demping, så for å unngå at Q-verdien vert for stor må han dempast. Dempinga vert til dels oppnådd ved viskøs demping ved å gjera avstanden mellom polstykka og membranen så liten som mogleg. Men dette er ofte ikkje nok og det vert tilført tilleggsdemping i form av akustiske motstandar på begge sider av membranen. Silke kan nyttast til dette, men eit finmaska metallgitter ver òg nytta.

På 1940- og 1950-talet var bandmikrofonar mykje nytta i radiostudio, men i dag vert dei i fyrste rekke nytta til opptak av klassisk musikk. På grunn av åttetalskarakteritikken vert dei ofte nytta i samband med Blumlein- og MS-opptak. Bandmikrofonar er ømfintlege og må handsamast forsiktig. Dei er òg følsame for vind og er så godt som ubrukelege utandørs.

Mikrofontypar klassifiserte etter bruksområde

Det finst eit utal ulike mikrofonar og det er uråd å laga ei eintydig klassifisering, men ein skil ofte mellom fire bruksområde.

Profesjonelle mikrofonar

Ved opptak av musikk i konsertsalar og lydstudio vert det stilt strenge krav til lydkvaliteten. Dei fleste profesjonelle mikrofonar er kondensator- eller elektretmikrofonar, men bandmikrofonar vert òg nytta. Slike mikrofonar vert produserte med stor presisjon og streng kvalitetskontroll, noko som fører til høge prisar. Både omnidireksjonale og direktive mikrofonar vert nytta.

Mikrofonar for generell bruk

Mikrofonar som vert nytta i samband med taleforesterking i forsamlingslokalar, jarnbanestasjonar, flyplassar og liknande må vera robuste og driftssikre, men det vert som oftast ikkje stilt strenge krav til lydkvalitet. Mikrofonar nytta av journalistar for å intervjua folk kjem i same kategori. I slike samanhengar vert det ofte nytta dynamiske mikrofonar, som i tillegg til å vera robuste ikkje treng matespenning.

Småmikrofonar

Mikrofonar som til dømes vert nytta i telefonar, diktafonar, høyreapparat og alarmar, vert ofte produserte i store seriar og er difor billige. Slike mikrofonar er som oftast små elektretmikronar, dynamiske mikrofonar eller piezomikrofonar. Slike mikrofonar har ikkje like gode data som profesjonelle mikrofonar: eigenstøyen er høgare enn for profesjonelle mikrofonar og frekvensresponsen varierer meir frå eksemplar til eksemplar.

Målemikrofonar

Målemikrofonar er omnidireksjonale kondensatormikrofonar med stor nøyaktigheit. Dei vert nytta for å måla frekvensrespons og direktivitet til høgtalarar, for måling av romakustikk, for akustisk støy i bygningar og utandørs.

Sjå òg

Referansar

↑ E. Geddes, Audio transducers, GeddLee Associates, 2002.
↑ B. Bartlett, Choosing the right microphone by understanding designtradeoffs, Jou. Audio Eng. Soc., bind 35, nr 11, nov. 1987, ss. 924-943.
↑ E.C. Wente, A condenser transmitter as a uniformly sensitive instrument for the absolute measurement of sound intensity, Physical Review, bind X, nr 1, 1. juli 1917, ss. 39-63.
↑ ^4,0 ^4,1 ^4,2 ^4,3 J. Eagle, The mocrophone book, Focal Press, 2. utg., 2004.
↑ G.S.K. Wong og T.E.W. Embleton, AIP handbook of condenser microphones - Theory, calibration, and measurementsAIP Press, 1995.
↑ G.M. Sessler og J.E. West, Electret transducers_ A review, Jou. Audio Eng. Soc., bind 53, nr 6, 1973, ss. 1589-1600.

Bakgrunnsstoff

Commons har multimedium som gjeld: Mikrofon

[1] E. Geddes, Audio transducers, GeddLee Associates, 2002.

[Bartlett-2] B. Bartlett, Choosing the right microphone by understanding designtradeoffs, Jou. Audio Eng. Soc., bind 35, nr 11, nov. 1987, ss. 924-943.

[Wente-3] E.C. Wente, A condenser transmitter as a uniformly sensitive instrument for the absolute measurement of sound intensity, Physical Review, bind X, nr 1, 1. juli 1917, ss. 39-63.

[Eagle-4] 4,0 ^4,1 ^4,2 ^4,3 J. Eagle, The mocrophone book, Focal Press, 2. utg., 2004.

[Wong-5] G.S.K. Wong og T.E.W. Embleton, AIP handbook of condenser microphones - Theory, calibration, and measurementsAIP Press, 1995.

[6] G.M. Sessler og J.E. West, Electret transducers_ A review, Jou. Audio Eng. Soc., bind 53, nr 6, 1973, ss. 1589-1600.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]