7. Μικρόφωνα ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι

7. Μικρόφωνα 1

Μικρόφωνα Το μικρόφωνο είναι μια συσκευή που μετατρέπει τα ηχητικά κύματα σε ηλεκτρικά σήματα. Στα περισσότερα μικρόφωνα τα ηχητικά κύματα προσπίπτουν σε μια μεμβράνη που ονομάζεται διάφραγμα και ο ήχος αρχικά μετατρέπεται σε κίνηση. Αυτή η κίνηση θα πρέπει να μεταφραστεί σε ηλεκτρισμό. Για να γίνει αυτό χρειάζεται να χρησιμοποιηθούν κάποια ηλεκτρικά ή ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα που καθορίζουν και την «αρχή λειτουργίας» του κάθε τύπου μικροφώνου. 2

Τρόποι διαχωρισμού των μικροφώνων Ως προς τον τύπο του μετατροπέα Δυναμικά, Πυκνωτικά, Ribbon, Άνθρακα κ.λ.π. Ως προς την κατευθυντικότητα τους (που αποτυπώνεται γραφικά με το πολικό διάγραμμα) Omnidirectional, Bidirectional (Figure of 8), Cardioid, Supercardioid, Hypercardioid. δηλαδή ως προς τον τρόπο που δημιουργείται η ταλάντωση στο διάφραγμα Μικρόφωνα πίεσης και μικρόφωνα διανυσματικής διαφοράς πίεσης ή ταχύτητας 3

Διαχωρισμός των μικροφώνων ως προς τον τύπο του μετατροπέα Δυναμικά μικρόφωνα Πυκνωτικά μικρόφωνα Μικρόφωνα ταινίας (ribbon) Μικρόφωνα άνθρακα (carbon) Πιεζοηλεκτρικό (κρυσταλλικό) μικρόφωνο 4

Δυναμικά μικρόφωνα Βασικά μέρη δυναμικού μικροφώνου 5

Δυναμικά μικρόφωνα Δυναμικό μικρόφωνο Shure SM58 (αριστερά) και Shure SM57 (κέντρο) και AKG D112 (δεξιά)

Μικρόφωνα ταινίας (ribbon) Βασικά μέρη μικροφώνου ribbon 7

Μικρόφωνα ταινίας (ribbon) Μικρόφωνο ribbon RCA R-44SM

Πυκνωτικά (condenser) μικρόφωνα Βασικά μέρη πυκνωτικού μικροφώνου 9

Πυκνωτικά μικρόφωνα Πυκνωτικό μικρόφωνο Neumann U47 (αριστερά), Neumann U87 (κέντρο) και Neumann KM184 Stereo set (δεξιά)

Μικρόφωνα άνθρακα (carbon) Βασικά μέρη μικροφώνου άνθρακα 11

Μικρόφωνα άνθρακα

Πιεζοηλεκτρικό (κρυσταλλικό) μικρόφωνο Βασικά μέρη πιεζοηλεκτρικού μικροφώνου 13

Σύγκριση Πλεονεκτήματα δυναμικών μικροφώνων Πλεονεκτήματα πυκνωτικών μικροφώνων Αντοχή Πιο ευαίσθητα Χαμηλό κόστος Καλύτερη ποιότητα ήχου Δεν απαιτείται τροφοδοσία Μπορεί να έχουν πολύ μικρό μέγεθος Μειονεκτήματα δυναμικών μικροφώνων Μειονεκτήματα πυκνωτικών μικροφώνων Χαμηλότερη ευαισθησία Υψηλότερος θόρυβος Μεγαλύτερα και βαρύτερα Πιο εύθραυστα Πιο αργός χρόνος απόκρισης Πιο ακριβά Όχι η καλύτερη επιλογή για υψηλή ποιότητα ήχου Επηρεάζονται από θερμοκρασία και υγρασία 14

Ανάλογα με την κατευθυντικότητα τους (και τον τρόπο που δημιουργείται η ταλάντωση στο διάφραγμα) 15

Πολικό διάγραμμα Η κατευθυντική απόκριση ενός μικροφώνου αποτυπώνεται γραφικά σε ένα σχέδιο πουονομάζεται πολικό διάγραμμα και το οποίο παρουσιάζει την ευαισθησία με την οποία ανταποκρίνεται το μικρόφωνο σε σήματα που έρχονται από διαφορετικές γωνίες (αποτυπώνεται σε μοίρες). Τα ηχητικά κύματα που έρχονται απευθείας/κάθετα στο διάφραγμα ενός μικροφώνου λέγονται on-axis, ενώ τα κύματα που έρχονται από οποιαδήποτε άλλη γωνία λέγονται off-axis

Παντοκατευθυντικά (Omnidirectional) Παντοκατευθυντικό είναι το μικρόφωνο που είναι εξίσου ευαίσθητο σε όλα τα ηχητικά ερεθίσματα, ανεξάρτητα από πια κατεύθυνση έρχονται και τη γωνία που έχει η πηγή τους σε σχέση με το διάφραγμα του. Αναφέρεται και ως μικρόφωνο πίεσης (Pressure Microphone) διότι ανταποκρίνεται στις στιγμιαίες διακυμάνσεις της πίεσης του αέρα, οι οποίες δημιουργούνται από τα ηχητικά κύματα στην περιοχή του διαφράγματος.

Δικατευθυντικά (Bidirectional ή Figure of 8) Ένα δικατευθυντικό μικρόφωνο είναι εξίσου ευαίσθητο σε πιέσεις που ασκούνται από το εμπρός και το πίσω μέρος του διαφράγματος, αλλά χαρακτηρίζεται από πολύ χαμηλά επίπεδα ευαισθησίας σε πιέσεις που ασκούνται από τα πλαϊνά μέρη του μικροφώνου. Σε αντίθεση με το παντοκατευθυντικό, το δικατευθυντικό μικρόφωνο έχει το διάφραγμα του εκτεθειμένο και από τις δυο πλευρές στα ηχητικά κύματα. Επειδή λοιπόν το διάφραγμα ενός δικατευθυντικού μικροφώνου αντιδρά ανάλογα με την κλίση της πίεσης που δέχεται, τα μικρόφωνα αυτά λέγονται και μικρόφωνα κλίσης πίεσης ή Pressure Gradient.

Μονοκατευθυντικά/Καρδιοειδή (Unidirectional/Cardioids) Τα μονοκατευθυντικά μικρόφωνα είναι ιδιαιτέρως ευαίσθητα σε ήχους που προέρχονται ακριβώς μπροστά από το διάφραγμα και σε μηδέν μοίρες on axis. Αντίθετα, μπορεί να είναι ελάχιστα ή καθόλου ευαίσθητα σε πηγές που βρίσκονται στο πίσω μέρος του διαφράγματος και σε 180 μοίρες off axis. Οι πλευρικοί ήχοι με κλίση μικρότερη των 900 ή μεγαλύτερη των 2700 μπορούν να συλληφθούν ικανοποιητικά, ενώ το αντίθετο συμβαίνει με τους υπόλοιπους πλευρικούς ήχους.

Πως υλοποιούνται οι κάψες 20

Υπερκαρδιοειδές (supercardioid) 21

Επίδραση της συχνότητας στην κατευθυντικότητα

Χαρακτηριστικά των μικροφώνων Αρχή λειτουργίας Κατευθυντικότητα Συχνοτική απόκριση Μεταβατική απόκριση (Transient response) Φαινόμενο εγγύτητας (Proximity effect) Ευαισθησία Αντίσταση εξόδου Μέγεθος διαφράγματος 23

Συχνοτική απόκριση 24

Συχνοτική απόκριση Neumann U87 25

Μεταβατική απόκριση (Transient response) Η μεταβατική απόκριση είναι ένα μέτρο του πόσο γρήγορα το διάφραγμα του μικροφώνου μπορεί να ανταποκριθεί σε γρήγορες αλλαγές του ηχητικού κύματος

Ευαισθησία (sensitivity) Ορίζεται ως ο λόγος του παραγόμενου έργου προς την εισερχόμενη ενέργεια. Αποτελεί μέτρο της απόδοσης του μετατροπέα του μικροφώνου Για τα μικρόφωνα: S = V/P, ή σε db, όπου SLevel = 20log(S/Sref), με ref =1Vrms / Pa

Proximity effect (φαινόμενο εγγύτητας) 28

Ασκήσεις

Άσκηση 1 Το μικρόφωνο που έχει το παρακάτω πολικό διάγραμμα, ηχοβολείται από μια πηγή που βρίσκεται σε γωνία 90 μοιρών και στην έξοδο του μικροφώνου παίρνουμε μια τάση 0.01Volt. Αν η πηγή μετακινηθεί 1) εμπρός από το μικρόφωνο και 2) στις 180 μοίρες, ποια θα είναι η τάση στην έξοδο για την κάθε περίπτωση; 30

Άσκηση 2 Στην παρακάτω εικόνα βλέπετε ένα πολικό διάγραμμα μικροφώνου, όπου κάθε κύκλος απέχει από τον άλλο 5 db. Αν το μικρόφωνο, όταν ηχοβολείται, δίνει τάση εξόδου 0.1 volt στις 00, ποια είναι η τάση εξόδου στις 1200; 31

τέλος, για σήμερα 32

Μικρόφωνα πίεσης Ηχητική πίεση και μικρόφωνο 33

Μικρόφωνα πίεσης 34

Δομή και μελέτη μικροφώνου πίεσης (1) F = SxP, όπου S η επιφάνεια του διαφράγματος και P η πίεση που ασκείται στο διάφραγμα. Όταν η γωνία πρόσπτωσης δεν είναι 0 τότε μεγάλη σημασία έχει για την ταλάντωση του διαφράγματος το μήκος κύματος του ήχου που προσπίπτει. Αν το μήκος κύματος (λ) είναι πολύ μεγάλο σε σχέση με το διάφραγμα δεν έχει πρακτικά μεγάλη σημασία η γωνία πρόσπτωσης. Αν το μήκος κύματος γίνει συγκρίσιμο με τις διαστάσεις του διαφράγματος και η διαφορά δρόμου (d) του κύματος πλησιάζει την τιμή λ/2 τότε στις δύο άκρες του διαφράγματος ασκείται πίεση με αντίθετη φάση και επομένως η συνολική ενέργεια που μεταφέρεται στο μικρόφωνο είναι μειωμένη. 37

Δομή και μελέτη μικροφώνου πίεσης (2) Το πρακτικό αποτέλεσμα αυτού του φαινόμενου είναι ότι για κάποιες συχνότητες, που μπορούν να υπολογιστούν αν γνωρίζουμε τη διάμετρο του διαφράγματος, το μικρόφωνο μπορεί να λειτουργήσει σαν φίλτρο αποκόπτοντας τις συχνότητες αυτές όταν προσπίπτουν με μια συγκεκριμένη γωνία πρόσπτωσης. 38

Παράδειγμα Μικρόφωνο πίεσης με γωνία πρόσπτωσης θ = 45 και διάμετρο διαφράγματος (ΑΒ), R=3 cm d = sinθ R Αν θέλουμε την ακραία περίπτωση όπου έχουμε πρόσπτωση στα δύο άκρα του ΑΒ κύματος με αντίθετη φάση τότε ψάχνουμε τη συχνότητα για την οποία ισχύει d = λ/2. Άρα: λ/2 = sinθ R =>λ= 2 sinθ R = 0.03897 m επομένως f = c/λ = 8.8273 khz. 39

Μικρόφωνα διανυσματικής διαφοράς πίεσης (1) 40

Δομή και μελέτη μικροφώνου διανυσματικής διαφοράς πίεσης (1) Η μετακίνηση του διαφράγματος γίνεται από τη συνισταμένη δύναμη που προκύπτει από τις δύο πιέσεις. Ρ1 = Ρ0 cosωt Ρ2 = Ρ0 cosω(t+δt) Αν η διαφορά δρόμου για να φτάσει το κύμα στην πίσω μεριά του διαφράγματος είναι τότε Δt = d/c d, Ρ 1 - Ρ 2 = Ρ0 cosωt - Ρ0 cosω(t + Δt) = Ρ0 [cosωt - (cosωt cosωδt - sinωt sinωδt)] = (αν Δt <<, cosωt 1) Ρ0 [cosωt - cosωt + sinωt sinωδt] = (αν Δt <<, sinωδt ωδt) Ρ0 ωδt sinωt => Ρ 1 Ρ 2 = Ρ0 2πf sinωt 48

Δομή και μελέτη μικροφώνου διανυσματικής διαφοράς πίεσης (2) επομένως η δύναμη που ασκείται τελικά στο διάφραγμα: F = S (Ρ1 Ρ2) = sinωt Αν το κύμα προσπίπτει στο διάφραγμα με γωνία θ τότε Δt = (d/c ) cosθ και η προηγούμενη σχέση γίνεται: F= sinωt Βλέπουμε λοιπόν πως για γωνίες πρόσπτωσης 90 και 270 η δύναμη μηδενίζεται. Η ανάλυση σε πολικές συντεταγμένες θα μας δώσει δύο κύκλους εφαπτόμενους στο κέντρο του διαφράγματος. 49

Δομή και μελέτη μικροφώνου διανυσματικής διαφοράς πίεσης (3) Παράδειγμα Έχουμε ένα μικρόφωνο διανυσματικής διαφοράς πίεσης με διάμετρο διαφράγματος 1cm2 και ασκείται σε αυτό ακουστική πίεση 1N/m2 και συχνότητα 1kHz. Ποια θα είναι η μορφή του πολικού διαγράμματος αν ή πηγή με σταθερή ένταση και συχνότητα περιστρέφεται γύρω από το μικρόφωνο κατά 180 ; 50

Συνδυασμός των δύο κατευθυντικοτήτων 51

Figure of 8 52

Subcardioid 53

Cardioid 54

Hypercardioid 55