Matavimo Mikrofonai: Savybės, Veikimo Principai ir Tipai

Bet kokio audio signalo kelias studijose prasideda nuo mikrofono. Kadangi nuo pirmojo mikrofono išradimo praėjo daugiau kaip 100 metų, dabar jų turime daugybę tipų ir modelių. Naudojama daug rūšių mikrofonų besiskiriančių tarpusavyje veikimo principu ir savybėmis.

Pagal veikimo principą galima išskirti:

• elektrodinaminius su ritėmis arba juostelėmis
• elektromagnetinius
• elektrostatinius
• anglinius
• pjezoelektrinius
• puslaidininkinius

Elektrodinaminių yra labai įvairių: su judančiomis ritelėmis ir su judančiomis juostelėmis bei sudaro labai plačią gaminamų mikrofonų gamą. Prie elektrostatinių priskiriami kondensatoriniai ir elektretiniai mikrofonai, kuriuos pagrindinai naudoja profesionalai.

Pagal garso slėgio poveikį į mikrofono membraną yra skiriama:

• garso slėgio
• garso slėgio gradiento
• kombinuoti - garso slėgio ir garso slėgio gradiento

Šis mikrofonų požymis nulemia ne tik jų kryptingumo charakteristiką bet ir mikrofonų išdėstymą garso šaltinių atžvilgiu.

Garso izoliacijos svarba statybose tampa vis aktualesnė tiek naujai statomuose, tiek renovuojamuose pastatuose. Vienas pagrindinių metodų, taikomų tiksliai įvertinti atitvarų (tarp butų sienų, perdangų, pertvarų) garso izoliacijos savybes - tai akustinis bandymas pagal standartą ISO 16283-1.

ISO 16283-1:2014 - tai tarptautinis standartas, nustatantis vietoje, realiomis sąlygomis matavimo metodus, naudojamus vertinant oro garso izoliaciją tarp patalpų ir kitose įprasto naudojimo paskirties statiniuose.

Garso Slėgio Imtuvas

Mikrofonas - garso slėgio imtuvas. Jo ypatybė - membrana yra veikiama garso slėgio tiktai frontaline kryptimi, o kitą jos pusę ekranuoja mikrofono korpusas. Mikrofonas konstruojamas taip, kad jo skersmuo D daug mažesnis už jo priimamos, vyraujančios bangos ilgį λ. Tokiu atveju galima priimti, kad kintantis garso slėgis, akustinių virpesių sukuriamas garso lauke, vienodai veiks mikrofono membraną tą pačia faze visame membranos plote SS. Garso bangos, krentančios ant membranos kitomis kryptimis, dėl mažo santykio D/λ, lyg tai apteka mikrofono korpusą ir ant membranos patenka su sinfaziškai su frontalinėmis. Tai reiškia, kad mikrofonas yra nekryptinio veikimo. Jo kryptingumo charakteristika - rutulys, kurio centre yra mikrofonas. Toks nekryptingumas praktiškai būdingas tik žemų ir vidutinių dažnių srityje.

Garso Slėgio Gradiento Imtuvai

Mikrofonuose - garso slėgio gradiento imtuvuose akustiniai virpesiai veikia į abi membranos puses, tačiau taip, kad bangoms, krintančioms ant membranos vidinės pusės, sudaromas papildomas kelias ∆x, atžvilgiu garso bangos, krintančios ant frontalinės membranos pusės. Tegul membranos storis d. Garso banga, pasiekianti nugarinę membranos pusę, turi praeiti papildomą kelią ∆x = dcosθ. Kadangi galioja sąlyga ∆Ψ/2π = ∆x/λ, tai ∆∆Ψ = 2dπcosθ/λ. Iš formulės matosi, kad bangai simetriškai pasiekiant abi membranos puses, mikrofono kryptingumas taip pat simetriškas su kosinusiniu pasiskirstymu. Maksimalus jautrumas būna kai kampas θ = 0° ir 180° , o minimalus - kai θ = 90° ir 270°.

Jėga F mažėja didėjant bangos ilgiui, todėl žemų dažnių srityje mikrofono jautrumas turėtų mažėti. Tačiau kelio pailgėjimas ∆x visoms bangoms, patenkančioms ant vidinės membranos pusės, sukelia papildomą jų slopinimą. Todėl padidėja skirtumas ∆pg, kas dalinai kompensuoja nurodytą jautrumo sumažėjimą žemuose dažniuose. Be to arti garso šaltinio garso bangos nėra plokščios. Jas reikia nagrinėti kaip sferines, todėl mikrofonui artėjant prie garso šaltinio garso slėgis auga. Todėl žemuose dažniuose dar labiau išauga mikrofono jautrumas arti šaltinio (praktiškai arčiau 1 m). Aukštų dažnių srityje bangų ilgiai tampa artimi mikrofono matmenims, sutrinka priimamų bangų sinfaziškumas išilgai membranos ir jautrumas sumažėja. Dažnių charakteristikos išlyginimui naudoja mikrofono grandžių dažnių korekciją, o stato reikiamu atstumu nuo garso šaltinio.

Kombinuoti Mikrofonai

Kombinuotiems mikrofonams būdingas vienakryptiškumas. Tas ppasiekiama kombinuojant gradientinių mikrofonų dvikryptę charakteristiką su nekryptine, būdinga garso slėgio imtuvui. Tokia sintezė paprasčiausia, sumaišant abiejų tipų mikrofonų elektrinius signalus.

Formuojant sudėtingą kryptingumo diagramą be naudingo priešakinio lapelio gaunasi ir nepageidautinas užpakalinis lapelis. Dėl to sumažėja jautrumo skirtumas kryptimis „frontas - užnugaris“ .

Elektrodinaminiai Mikrofonai

Elektrodinaminių mikrofonų grupei priskiriami mikrofonai su judančiomis ritėmis ir juostelėmis.

Mikrofonas apkraunamas aktyvinę varža, suderinta su vidine mikrofono varža, tiesiogiai arba per suderinimo transformatorių. Vidutinių dažnių juostoje Z ≈ Ri ir toje dažnių diapazono dalyje mikrofono jautrumas apytikriai pastovus.

Aukštų dažnių srityje bangos ilgis mažėja ir jis artėja prie mikrofono diafragmos matmenų ir jautrumas mažėja, nes pradeda jaustis fazės poslinkis nuo centro link membranos kraštų, ppradedami jausti ir garso lauko iškraipymai dėl bangų atspindžio nuo mikrofono korpuso. Žemų dažnių srityje jautrumas mažėja, nes pradeda reikštis mikrofono judančios dalies inertiškumas.

Sistemoje, kurią sudaro membrana su rite, gofruotos pakabos lankstumas ir mechaninė varža (oro trintis judant ritei), paprastai pasireiškia mechaninis rezonansas, kurio dažnis būna aukštesnis, nei reikėtų, kad išliktų pastovus jautrumas žemų dažnių srityje. Kad paslinkti nuosavo rezonanso dažnį dar žemesnių dažnių link reikia didinti membranos su rite pakabos lankstumą, tačiau tokią konstrukciją sunku pagaminti, membranos masę ddidinti nepageidautina, nes tai didintų inertiškumą. Todėl pagrindinė mechaninė virpesių sistema papildoma akustiniu rezonatoriumi. Vidinėje mikrofono dalyje, veikiant virpesiams kaupiasi suspaudžiamo oro energija. Taigi tuo pačiu sistemoje susidaro lyg tai papildomas lankstus elementas, į kurį galima žiūrėti kaip į vidinį ššaltinį. Akustinį rezonatorių galima sudaryti šerdyje išgręžiant kanalus, sujungiančius uždarą erdvę su vidiniu magnetinės sistemos oro tūriu. Darant sudėtingą elektrodinaminių mikrofonų konstrukciją su keliais akustiniais rezonatoriais gaunama palyginti tolydi dažninė charakteristika. Kombinuojant akustinius rezonatorius ir filtrus. Elektrodinaminių mikrofonų su ritėmis geros eksploatacinės savybės.

Juosteliniai Mikrofonai

Juostelinių mikrofonų veikimo principas praktiškai nesiskiria nuo elektrodinaminių mikrofonų su ritele veikimo principo, tačiau konstrukcija skiriasi žymiai. Tokių mikrofonų magnetinė sistema yra pasagos formos. Galai, tarp kurių įtaisyta plona gofruota, labai lanksti iir stipri juostelė, plokšti ir tarpusavyje lygiagretūs. Ši juostelė esti lygiagreti magnetinio lauko linijoms, korpusas sukonstruotas taip, kad garso bangos kristų statmenai į juostelę. Į juostelę veikiant garso bangom, ji juda magnetiniame ir joje atsiranda evj, analogiškai kaip ir ritelėje. Kadangi juostelė neilga tai ir atsirandanti evj yra nedidelė, todėl betarpiškai mikrofone įtaisomas didelio transformavimo koeficiento suderinimo transformatorius.

Pagal garso slėgio poveikį į juostelę būna: garso slėgio ir garso slėgio gradiento juosteliniai mikrofonai. Tokie mikrofonai palyginti jautrūs ir pakankamai geromis dažnių charakteristikomis. Juostelinių mikrofonų judančios sistemos nuosava masė ypač maža, o juostelė labai lanksti. Todėl judančios dalies inercija žymiai mažesnė nei mikrofonų su ritele. Juostelės storis paprastai būna 2 - 2,5 mkm, plotis 2 mm, o ilgis 25 - 50 mm. Todėl juosteliniai mikrofonai gerai reaguoja į greitai kintančius pereinamuosius procesus, sukelia labai mažus netiesinius iškraipymus, geros savybės žemų dažnių srityje.

Kondensatoriniai Mikrofonai

Kondensatorinių mikrofonų veikimas pagrįsta talpumo kitimu, kuris atsiranda garso bangų virpesiams veikiant į mikrofono membraną. Mikrofono korpusas ttarnauja viena kondensatoriaus plokštele, o kita plokštele - metalinė arba metalizuota membrana, izoliuota nuo korpuso. Taigi mikrofono konstrukcija sudaro plokščią kondensatorių, prie kurio elektrodų per apkrovimo varžą prijungiamas nuolatinės įtampos šaltinis. Garso bangoms .virpinant membraną, keičiasi kondensatoriaus talpa ir grandinėje pradeda tekėti talpos srovė ir apkrovimo varžoje atsiranda elektrinis signalas, forma atkartojantis membranos virpesius. Konstruojami garso slėgio, garso slėgio gradiento ir kombinuoti kondensatoriniai mikrofonai.

dB SPL

Terminas “dB SPL” - tai garso slėgio dydis (Sound Pressure Level, SPL), jėgos, kuria akustinės garso bangos veikia oro molekules. Kai kas nors dainuoja ar kalba, pats didžiausias ggarso slėgis prie jo burnos, toliau jis silpnėja, priklausomai nuo to, kaip garso bangos nutolsta nuo jo. Reikia žinoti tai, kad 0dB SPL - tai yra tyliausias garsas, kurį normali ausis gali išskirti, o 1dB - tai pats mažiausias garso lygio pasikeitimas, kurį gali atskirti žmogus.

Pavyzdžiui, 1 metro atstumu normalios kalbos lygis yra 60dB SPL, o kalvio slėgtuvas trinksi 120dB SPL. Mikrofonų gamintojai dažniausiai nurodo vieną arba du dB SPL įėjimo lygius: 74dB SPL arba 94dB SPL. Shure naudoja 74dB SPL, jeigu specifikacijoje nenurodytas kitas įėjimo dydis. Koks yra tų dB SPL dydžių santykis su realybe? 74dB - SPL tipinis garso intensyvumas 30cm atstumu nuo kalbančio. 94dB - tipinis garso intensyvumas 2-3cm atstumu nuo jo.

Mikrofonas “girdi” šį garso intensyvumą ir pakeičia garso bangą į ekvivalentinį elektrinį signalą. Tam, kad nustatyti, koks SPL dydis naudojamas jautrumo matavimui, reikia sulyginti su mikrofono specifikacija. Sunkumai gali kilti dėl to, kad SPL gali matuotis skirtingais vienetais. Pavyzdžiui, 94dB SPL = 1Paskalis = 10mikrobarelių. O 74dB SPL = 0,1Paskalis = 1mikrobarelis. Deja, perkant mikrofoną, skirtingos firmos, nurodant SPL, naudoja įvairius matavimo vienetus. Bet naudojant aukščiau minėtus pakeitimus, galima pakeisti specifikacijas į dB SPL ir palyginti jas.

Pirmiausiai, “atviras kontūras” reiškia, kad mikrofonas niekur neprijungtas. Mikrofonas neturi elektrinio krūvio. Atviro kontūro įtampa rodo, kokia įtampa atsiranda mikrofono išėjime, kai tam tikras garso slėgis veikia jo diafragmą. Tipiniam mikrofonui tai sudaro 75dB V/mikrobarelis, dB/V reiškia, kad mikrofono išėjimo lygis kinta 1V atžvilgiu. Jeigu įsivaizduoti mikrofoną su 1V išėjimo įtampa, jo lygis būtų 0dB. Neigiamas dB/V išėjimo lygis (-75), rodo, kad mikrofono išėjimo įtampa mažesnė negu 1V. (-75dB/V reiškia 0,00018V). “Mikrobarelis” reiškia, kad mikrofonas buvo ppratestuotas esant 74dB SPL įėjimo lygiui. Kad palygintume šio tipinio mikrofono jautrumą su kitu mikrofonu, pratestuoto esant 94dB SPL arba 1Paskaliui, prie reikšmės reikia pridėti 20dB: -75+20=-55dBV/Pa.

Tam, kad nustatyti mikrofono galią, jį prijungia prie apkrovos, lygios jo vidinei varžai. Į įėjimą paduodamas 94dB SPL signalas ir matuojama apkrovos išėjimo galia. Mikrofono galia, kaip parametras, praktiškai neturi jokios reikšmės šiuolaikinėje audio technikoje ir naudojamas labai retai.

tags: #matavimo #mikrofono #nuoma