ΗΛΕΚΤΡΟΑΚΟΥΣΤΙΚΗ ΜΙΚΡΟΦΩΝΑ ΓΙΑΝΝΗΣ ΜΟΥΡΤΖΟΠΟΥΛΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ

ΗΛΕΚΤΡΟΑΚΟΥΣΤΙΚΗ ΜΙΚΡΟΦΩΝΑ ΓΙΑΝΝΗΣ ΜΟΥΡΤΖΟΠΟΥΛΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΟΜΑΔΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΗΧΟΥ & ΑΚΟΥΣΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΝΣΥΡΜΑΤΗΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ www.wcl.ece.upatras.gr/audiogroup/ είσοδος

1. εισαγωγή

ήχος και ηχητική πίεση ηχητική πηγή ηχητικό κύμα ακροατής ταλάντωση (από την πηγή) μεταφέρεται σε ένα μέσο (αέρας) παράγεται κύμα που διαδίδεται προς τον δέκτη (ακροατή) αναπαράγει ένα ερέθισμα (ακοή)

ήχος και ηχητική πίεση ηχητική πηγή ηχητικό κύμα μικρόφωνο η ατμοσφαιρική πίεση είναι περίπου 100 Kpa η εναλλαγή της πίεσης είναι ήχος ας αντικαταστήσουμε τον ακροατή από το μικρόφωνο το μικρόφωνο θα μετατρέψει την ηχητική πίεση σε ηλεκτρικό ρεύμα

ηχητική πίεση και μικρόφωνο ηχητικό κύμα μικρόφωνο μεμβράνη που ταλαντώνεται από το κύμα έστω είναι αεροστεγές κουτί με λεπτή μεμβράνη

ηλεκτρική τάση ηχητική πίεση και μικρόφωνο ηχητικό κύμα μικρόφωνο μεμβράνη που ταλαντώνεται από το κύμα μεγάλη θετική πίεση = μεγάλη θετική τάση μεγάλη αρνητική πίεση = μεγάλη αρνητική τάση

ηλεκτρική τάση ηχητική πίεση και μικρόφωνο ηχητικό κύμα μικρόφωνο χρόνος

ηχητική πίεση και μικρόφωνο ηχητικό κύμα μικρόφωνο ηλεκτρική τάση αντίσταση στην πίεση η έξοδος του μικροφώνου είναι η ίδια, ανεξάρτητα από τη γωνία που χτυπάει το κύμα ο λόγος της ηλεκτρικής εξόδου προς την ακουστική πίεση, ορίζεται σαν η ευαισθησία S του μικροφώνου

ηχητική πίεση και μικρόφωνο ΜΙΚΡΟΦΩΝΟ ΑΚΟΥΣΤΙΚΟ- ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΜΗΧΑΝΟ- ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ακουστική πίεση στάθμη 20-110 db-spl συχνότητα 10Hz - 20KHz (περίπου) μηχανική ταλάντωση ηλεκτρικό σήμα A.C., πλάτος 1μV - 20 mv συχνότητα 10Hz - 20KHz (περίπου)

ιστορικά και εξελίξεις

ιστορικά και εξελίξεις dummy head τεχνητή ακοή (ειδικό μικρόφωνο) τεχνητή ομιλία (ειδικό μεγάφωνο) πως ακούγεται μια συσκευή; (κινητό, mp3-player)

συστοιχίες μικροφώνων ιστορικά και εξελίξεις

ιστορικά και εξελίξεις ψηφιακά μικρόφωνα

ιστορικά και εξελίξεις ψηφιακά & μικρόφωνα ΜΕΜS (micro-electro-mechanical)

2. τύποι

δυναμικά μικρόφωνα ο ήχος κινεί το διάφραγμα που κινεί το πηνίο μέσα στο μαγνήτη ευαισθησία

πυκνωτικά μικρόφωνα ο ήχος κινεί το διάφραγμα που αποτελεί μία πλάκα σε πυκνωτή

μικρόφωνα ταινίας ο ήχος κινεί τη μεταλλική ταινία μέσα σε σταθερό μαγνητικό πεδίο

άλλοι τύποι μικροφώνων ο ήχος κινεί τo διάφραγμα που συμπιέζει τον κρύσταλλο ο ήχος το διάφραγμα που αποτελεί μία πλάκα σε προπολωμένο πυκνωτή κρυσταλλικό electret

4. χαρακτηριστικά

σχετικό ηλεκτρικό κέρδος μικροφώνου ευαισθησία S του μικροφώνου με κλειστή κάψα = μικρόφωνα πίεσης ηχητική πίεση και μικρόφωνο ευαισθησία, κατευθυντικότητα, απόκριση παντοκατευθυντικό μικρόφωνο γωνία ηχητικού κύματος σε σχέση με μικρόφωνο ( 0 )

ηχητική πίεση και μικρόφωνο ευαισθησία S του μικροφώνου πίεσης υπό μορφή πολικού διαγράμματος κατευθυντικότητα ευαισθησία γωνία κύματος σε σχέση με μικρόφωνο ( 0 ) σταθερή ευαισθησία S μικροφώνου πίεσης σε σχέση με γωνία = παντοκατευθυντικό μικρόφωνο

μικρόφωνα διαφοράς πίεσης έστω ότι το διάφραγμα δεν είναι σε κλειστό κουτί και δέχεται πίεση και από τις 2 πλευρές ηχητικό κύμα πηγή σε γωνία 90 0 ίδια πίεση και από τις 2 πλευρές = καμία έξοδος δακτυλίδι στήριξης διάφραγμα

μικρόφωνα διαφοράς πίεσης έστω ότι το διάφραγμα δεν είναι σε κλειστό κουτί και δέχεται πίεση και από τις 2 πλευρές πηγή σε γωνία 90 0 ηχητικό κύμα πηγή σε γωνία 0 0 δακτυλίδι στήριξης διάφραγμα έξοδος λόγω πίεσης κυρίως από γωνία 0 0

μικρόφωνα διαφοράς πίεσης έστω ότι το διάφραγμα δέχεται πίεση και από τις 2 πλευρές έξοδος για γωνία πηγής 90 0 σε σχέση με μικρόφωνο έξοδος για γωνία πηγής 0 0 σε σχέση με μικρόφωνο δακτυλίδι στήριξης διάφραγμα έξοδος για γωνία πηγής 180 0 σε σχέση με μικρόφωνο

σχετικό ηλεκτρικό κέρδος μικροφώνου ευαισθησία S = κατευθυντικότητα διπολικού (δικατευθυντικού) μικροφώνου διαφοράς πίεσης μικρόφωνα διαφοράς πίεσης S = cos(γωνίας) παντοκατευθυντικό μικρόφωνο γωνία ηχητικού κύματος σε σχέση με μικρόφωνο ( 0 )

μικρόφωνα διαφοράς πίεσης ευαισθησία S του διπολικού μικροφώνου διαφοράς πίεσης υπό μορφή πολικού διαγράμματος ευαισθησία έξοδος 0 για γωνία 90 0 έξοδος μέγιστη θετική για γωνία 0 0 έξοδος μέγιστη αρνητική για γωνία 180 0 έξοδος 0 για γωνία 270 0

σχετικό ηλεκτρικό κέρδος μικροφώνου ας προσθέσουμε την έξοδο από 2 κάψες μικρόφωνα διαφοράς πίεσης...αποτέλεσμα μισό παντοκατευθυντικό μισό δικατευθυντικό γωνία ηχητικού κύματος σε σχέση με μικρόφωνο ( 0 )

μικρόφωνα διαφοράς πίεσης έξοδος 0 για γωνία 180 0 ευαισθησία S του καρδιοειδούς μικροφώνου διαφοράς πίεσης υπό μορφή πολικού διαγράμματος...αποτέλεσμα πρόσθεσης μισού παντοκατευθυντικού και μισού δικατευθυντικού = καρδιοειδής κατευθυντικότητα S = 0,5 + 0,5cos(γωνίας)

κατευθυντικότητα μικροφώνων μπορούν να συνδυαστούν οι 2 κατευθυντικότητες, ώστε να υλοποιηθούν διαφορετικοί τύποι μικροφώνων παντοκατευθυντικά (omnidirectional) υποκαρδιοειδή (subcardioid) καρδιοειδή... (cardioid) υπερκαρδιοειδή (hypercardioid) δικατευθυντικά (bidirectional) πίεσης (παντοκατευθυντικά) διαφοράς πίεσης (δικατευθυντικά) S = P + G cos(γωνίας) P+G=1

κατευθυντικότητα μικροφώνων omni directional bidirectional cardioid Hypercardioid Figure of 8 Συνάρτηση H r (θ,r) σχετική έξοδος για θ = 90 ο (db) σχετική έξοδος για θ = 180 ο (db) γωνία για μηδενική έξοδο 1 cosθ 0,5(1+cosθ) 0,25(1+3cosθ) cos 2 θ 0 - -6-12 - 0 0 - -6 0-90 ο 180 ο 110 ο 90 ο

σχετικό ηλεκτρικό κέρδος μικροφώνου κατευθυντικότητα μικροφώνων παντοκατευθυντικό μικρόφωνο (omnidirectional) γωνία ηχητικού κύματος σε σχέση με μικρόφωνο ( 0 )

σχετικό ηλεκτρικό κέρδος μικροφώνου κατευθυντικότητα μικροφώνων υποκαρδιοειδές μικρόφωνο (subcardioid) γωνία ηχητικού κύματος σε σχέση με μικρόφωνο ( 0 )

σχετικό ηλεκτρικό κέρδος μικροφώνου κατευθυντικότητα μικροφώνων καρδιοειδές μικρόφωνο (cardioid) γωνία ηχητικού κύματος σε σχέση με μικρόφωνο ( 0 )

σχετικό ηλεκτρικό κέρδος μικροφώνου κατευθυντικότητα μικροφώνων υπερκαρδιοειδές μικρόφωνο (hypercardioid) γωνία ηχητικού κύματος σε σχέση με μικρόφωνο ( 0 )

σχετικό ηλεκτρικό κέρδος μικροφώνου κατευθυντικότητα μικροφώνων δικατευθυντικό μικρόφωνο (bidirectional) γωνία ηχητικού κύματος σε σχέση με μικρόφωνο ( 0 )

κατευθυντικότητα μικροφώνων πως υλοποιούνται οι κάψες για μικρόφωνα πίεσης και διαφοράς πίεσης κάψα για μικρόφωνο πίεσης κάψα για μικρόφωνο διαφοράς πίεσης

χρήση κατευθυντικών μικρόφωνα ομοιογενής θόρυβος παντοκατευθντική πηγή x 1 x 1,7 x 1,9 απόσταση (m)

3. σύνδεση

τρόποι σύνδεσης θηλυκό (είσοδος) αρσενικό (έξοδος) Pin Λειτουργία 1 Γείωση 2 Σήμα (+) 3 Σήμα (-) ισορροπημένη - balanced

τρόποι σύνδεσης ισορροπημένη balanced Κατάλληλη για μεγάλα μήκη καλωδίων Απόρριψη θορύβου Μεταφορά στερεοφωνικών σημάτων γείωση σήμα (-) ή δεξί κανάλι ή return σήμα (+) ή αριστερό κανάλι ή send

τρόποι σύνδεσης μικρόφωνο καλώδιο XLR προ-ενισχυτής 3 2 1 1 3 3 2 2 1 1 3 2 βύσμα XLR ισορροπημένη - balanced

τρόποι σύνδεσης προς καλώδιο XLR με τροφοδοσία 1 2 3 dc τροφοδοσία 9 52 Volt συνήθως 6,8 ΚΩ για τροφοδοσία 48 V ισορροπημένη balanced με τροφοδοσία phantom

καλώδια μικροφώνων περίβλημα αγωγοί αγωγός προς περίβλημα αγωγός προς αγωγό

τρόποι σύνδεσης μικρόφωνο καλώδιο προ-ενισχυτής 3 2 1 1 3 1 2 2 2 1 βύσμα XLR μη ισορροπημένη - unbalanced βύσμα jack

τρόποι σύνδεσης μη ισορροπημένη unbalanced Κατάλληλη για μικρά μήκη καλωδιών Μπορεί να εισέλθει θόρυβος Μετάφορα μονοφωνικών σημάτων γείωση σήμα

τρόποι σύνδεσης ισορροπημένη - balanced μη ισορροπημένη - unbalanced

τρόποι σύνδεσης Είσοδος Προενίσχυτης Phantom Power Pad Phase Reverse Κέρδος eq. Filter

προδιαγραφές μικροφώνων ευαισθησία, απόκριση στάθμη ευαισθησίας P S. L. 20logV 20log 20logV db SPL 94 P ref ΣΤΑΘΜΗ ΗΧΗΤΙΚΗΣ ΠΙΕΣΗΣ (db-spl) ΕΞΟΔΟΣ ΜΙΚΡΟΦΩΝΟΥ (mv) ΣΤΑΘΜΗ ΕΥΑΙΣΘΗΣΙΑΣ (db ref. 1V /Pa) 100 Θορυβώδες εργοστάσιο 100-20 90 Τραίνο / μουσική 10-30 80 Θόρυβος δρόμου 1-40 70 Θόρυβος γραφείου 0,1-50 60 Ομιλία 0,01-60 50 Ήσυχο γραφείο 0,001-70

5. ανάλυση

δυναμικά μικρόφωνα u I f C EM L EM R EM L o R o V S ευαισθησία ABl Z MO Z R j m m0 m k

δυναμικά μικρόφωνα

πυκνωτικά μικρόφωνα C B R B V C O V O

πυκνωτικά μικρόφωνα

πυκνωτικά μικρόφωνα χαμηλές συχνότητες μεσαίες συχνότητες

S ευαισθησία 2 VR 0 x F 0 8 T C 0 πυκνωτικά μικρόφωνα χωρητικότητα 27,8R x 0 2 μεταβολή σε φορτίο Q ( V e( t)) 0 x 0 τάση εξόδου e() t x 0 V0 x τάση πόλωσης V 0 ακουστική πίεση pt) μηχανική ταχύτητα u(t) λόγω δύναμης f(t) στατική απόσταση x 0 ηλεκτρικό ρεύμα i(t) ηλεκτρική τάση e(t)

8 πυκνωτικά μικρόφωνα R A1, M A1 C A1 πλαίσιο C d Μεμβράνη p in μονωτικό υλικό διάφραγμα C d δίσκος m, Τάση εξόδου R 2 R 1 o V out R m, σωληνίσκος εξίσωσης πίεσης R0 k V 0 R A2, M A2

πυκνωτικά μικρόφωνα MEMS

πυκνωτικά μικρόφωνα MEMS μονής πλάκας διπλής πλάκας

πυκνωτικά μικρόφωνα MEMS αποθήκευση δυναμικής ενέργειας στο διάφραγμα απώλειες απόσβεσης στην τρύπα ισοστάθμισης αποθήκευση δυναμικής ενέργειας στην πλάκα αποθήκευση κινητικής ενέργειας στο διάφραγμα απώλειες απόσβεσης στις τρύπες της πλάκας αποθήκευση δυναμικής ενέργειας στην κάψα ισοδύναμο πυκνωτικού μικροφώνου μονής πλάκας

πυκνωτικά μικρόφωνα MEMS

πυκνωτικά μικρόφωνα MEMS 5 Hz 200 ΚHz συχνότητα (Hz) απόκριση ισοδύναμου πυκνωτικού μικροφώνου

ψηφιακά μικρόφωνα MEMS ακουστική πίεση ηλεκτρικό σήμα ψηφιακό σήμα MEMS μικρόφωνο Α-Ψ μετατροπέας χρόνος

ψηφιακά μικρόφωνα MEMS ψηφιακό σήμα Σ/Δ ψηφιακό σήμα PCM ακουστική πίεση

6. χρήση

πρακτικά θέματα επιλογή μικροφώνου χαρακτηριστικά πηγών ένταση εκπομπής φάσμα εκπομπής απόσταση πηγών, διάταξη σκηνής είδος/ύφος προγράμματος τεχνικές ηχοληψίας που θα χρησιμοποιηθούν

πρακτικά θέματα κατευθυντικότητα μικροφώνων απόσταση από την πηγή περιοχή / γωνία κάλυψης απόσταση μικροφώνου - σκηνης Cardioid: 4.4 φορές Hypercardioid: 2.6 φορές Bidirectional: 2.0 φορές τοποθέτηση ηχείων monitor

ηχοληψία στερεοφωνική ηχοληψία σκηνή / studio μικρόφωνο (δεξί) πηγές μικρόφωνο (αριστερό) συσκευές (ηχογράφηση, αποθήκευση, μετάδοση, αναπαραγωγή) ακρόαση πιθανή αλλαγή χώρου / χρόνου ηχείο (αριστερό) ηχείο (δεξί) αυτί (αριστερό) αυτί (δεξί)

στερεοφωνική ηχοληψία ηχοληψία πηγές πιθανή αλλαγή χώρου / χρόνου ακρόαση

ανθρώπινη ακοή - εντοπισμός πηγών στον χώρο: διαφορές χρόνου (Interaural Time Difference, ITD) διαφορές έντασης (Interaural Level Difference, ILD) στερεοφωνικές τεχνικές μικροφώνων: καταγραφή σημάτων με κατάλληλες διαφορές έντασης/χρόνου τοποθέτηση του ακροατή στην σκηνή στερεοφωνική ηχοληψία ηχογράφηση και ενίσχυση: ορχήστρας χορωδίας μουσικών συνόλων δωματίου κλπ. από Blauert

στερεοφωνική ηχοληψία ηχοληψία πηγές παραμόρφωση ειδώλου / θέσης ακρόαση σωστή στερεοφωνική εικόνα έμφαση στην κεντρική θέση συρίκνωση στο κέντρο συρίκνωση στα άκρα

η πιο απλή τεχνική στερεοφωνική ηχοληψία τεχνική Α/Β χρησιμοποιούνται κυρίως παντοκατευθυντικά μικρόφωνα βασίζεται σε διαφορές χρόνου dm1 επηρρεάζει το πλάτος της στερεοφωνικής εικόνας η απόσταση των μικροφώνων από τις πηγές επηρρεάζει τον λόγο απευθείας προς ανακλώμενου σήματος πηγές dm1

στερεοφωνική ηχοληψία τεχνική Α/Β πλεονεκτήματα ομαλότερη απόκριση στις χαμηλές συχνότητες (παντοκατευθυντικά) λιγότερος χρωματισμός των πηγών εκτός άξονα πολύ καλή αίσθηση του χώρου μειονεκτήματα στερεοφωνική εικόνα πιθανόν να είναι κλειστή είδωλα δεν είναι τόσο ακριβή ως προς την θέση τους αύξηση της οδηγεί σε μείωση της αίσθησης του κέντρου πιθανή ανάγκη χρήσης τρίτου μικροφώνου (Decca Tree) όχι συμβατή με μονοφωνική αναπαραγωγή.

στερεοφωνική ηχοληψία Decca tree παρόμοια με την Α/Β χρησιμοποιούνται 3 παντοκατευθυντικά μικρόφωνα βασίζεται σε διαφορές χρόνου dm1 και dm2 επηρρεάζουν τη στερεοφωνική εικόνα μη συμβατή με μονοφωνική αναπαραγωγή πηγές dm2 dm1

στερεοφωνική ηχοληψία τεχνική Decca tree πλεονεκτήματα σταθερά είδωλα μεγάλη γωνία (και κοντά στη σκηνή) συμβατή με μονοφωνική αναπαραγωγή μειονεκτήματα χρωματισμός για πηγές εκτός άξονα έλλειψη πληροφορίας χρόνου μέτρια καταγραφή του χώρου

στερεοφωνική ηχοληψία Χ / Ψ χρησιμοποιούνται κατευθυντικά μικρόφωνα τοποθετούνται σε ίδια θέση (coincident) βασίζεται σε διαφορές έντασης φ καθορίζει τη στερεοφωνική εικόνα (135 0 έως 80 0, συνήθως 90 0 ) πηγές φ

στερεοφωνική ηχοληψία τεχνική Blumlein όπως η Χ/Ψ χρησιμοποιούνται δικατευθυντικά μικρόφωνα δημιουργούνται 4 τεταρτημόρια καλύτερη αίσθηση του χώρου Πηγές Περιοχή σκιάς Περιοχή σκιάς Αντίθετη μετακίνηση

στερεοφωνική ηχοληψία τεχνική ORTF συνδυασμός Α/Β και Χ/Ψ βασίζεται σε διαφορές έντασης και χρόνου φ συνήθως 110 0, d m συνήθως 17 cm πηγές φ dm1

στερεοφωνική ηχοληψία τεχνική ORTF πλεονεκτήματα ευελιξία μεγαλύτερη κάλυψη από την Χ/Ψ πολύ καλή αίσθηση του χώρου και ακριβής στερεοφωνική εικόνα μειονεκτήματα χρωματισμός για μεγάλες αποστάσεις (κατευθυντικά μικρόφωνα) όχι πλήρως συμβατή με μονοφωνική αναπαραγωγή

στερεοφωνική ηχοληψία τεχνικές πολλαπλών μικροφώνων μικρόφωνο spot πηγές στερεοφωνικό ζεύγος

Audio Group, Wire Communications Laboratory Electrical & Computer Engineering Department University of Patras http://www.wcl.ece.upatras.gr/audiogroup/