Univerza v Ljubljani Fakulteta za elektrotehniko Aljaž Pelicon Matej Doplihar Akustični senzorji (mikrofoni) Seminarska naloga pri predmetu Merilni pretvorniki Ljubljana, 2011
Kazalo Uvod...2 Mikrofoni...3 Lastnosti mikrofonov:...3 - Frekvenčna karakteristika...3 - Občutljivost mikrofona...4 - Smerna karakteristika...4 - SPL (sound pressure level)...5 - Dinamični razpon...5 - Upornost mikrofona...5 - Lastni šum...5 - Popačenja...6 - Kalibracija...6 - Resonanca...6 DELITEV MIKROFONOV...7 Akustični mikrofoni:...8 - Gradientni mikrofoni:...8 - Tlačni mikrofon...8 - Kombinacija tlačnega in gradientnega mikrofona...8 Električni mikrofoni:...9 - Ogljeni mikrofon:...9 - Piezoelektrični mikrofon...9 - Kondenzatorski mikrofon...10 - Elektrodinamični mikrofon...10 - Elektromagnetni mikrofoni...11 Litratura...12 1
Uvod Mikrofoni so elektroakustični pretvorniki. Akustično energijo pretvarjajo v mehanično in potem v električno. Zvočno nihanje zraka se preko membrane in različnih elemntov pretvarja v izmenično napetost, ki jo potem vodimo naprej na naslednjo stopnjo (ojačevalnik). Mikrofon, kot pretvornik ene energije v drugo, opravlja podobno vlogo kot človeško uho. Moderni mikrofoni prekašajo uho v frekvenčnem obsegu (človeka teoretično sliši zvok med 20 in 20.000 Hz, mikrofon pa registrira čez 100.000 Hz), kakor tudi v dinamičnem smislu (mikrofon lahko registrira zvok, ki bi poškodoval uho). Prvi mikrofon je izdelal Emile Berliner 4. Marca 1877, prvi uporabni mikrofon pa je odkril Alexander Graham Bell. 2
Mikrofoni Lastnosti mikrofonov: - Frekvenčna karakteristika Frekvenčna karakteristika je diagram, ki prikazuje občutljivost mikrofona v slišnem področju med 20 in 20.000 Hz. Navpična os prikazuje vrednost občutljivosti, izraženo v mv/pa ali v db; vodoravna os pa po logaritemski lestvici prikazuje frekvence, pri katerih je ta občutljivost dosežena. Idealno karakteristiko bi predstavljala vodoravna črta, ki bi pomenila konstantno občutljivost v celotnem frekvenčnem področju. Običajno je krivulja malce valovita, dopuščajo pa se odkloni ± 1dB, saj so to vrednosti, ki jih uho ne zaznava tako zlahka. Če potrebujemo mikrofon, s katerim bomo snemali izključno govor, bi nam zadostovala karakteristika, ki je vodoravna med 300 in 3000 Hz, za osnovni prenos glasbe pa vsaj od 100 do 5000 Hz. Za kvalitetno studijsko snemanje glasbe je potrebna karakteristika vsaj med 30 in 16.000 Hz. 3
- Občutljivost mikrofona Mikrofonska občutljivost je vrednost, ki označuje spremembo napetosti na izhodu mikrofona v odvisnosti od zvočnega signala (spremembi zvočnega tlaka, ki vzburi membrano). Zapišemo jo z izrazom s = ΔU/p, pri čemer je s (sensitivity) izražen v mv/pa oz. tudi v decibelih. V elektrotehniki se uporablja tudi standardna vrednost V/μbar, pri čemer dobimo izrek s = 20 log (ΔU/Δp), v vrednosti izraženi z μbar/v. Običajna izhodna napetost znaša pri mikrofonu ca. 1 mv, zato je vrednost ulomka manjša od 1, ustrezni logaritem pa je negativen. Zaradi tega je občutljivost mikrofonov izražena v decibelih z negativno vrednostjo. Občutljivost je pomemben podatek, kadar želimo dobiti večjo ali manjšo napetost z mikrofona, ki ga nameravamo uporabiti. Glede na dejstvo, da jakost zvoka pada s glede na oddaljenost zvočila, je potrebno vedeti, da večja oddaljenost mikrofona od izvira daje tudi manjšo izhodno napetost. (Običajen govor v oddaljenosti 1 m povzroča zvočni pritisk 0,1 Pa; na razdalji 30 cm pa že 1 Pa.) Izhodna napetost mikrofona je odvisna tudi od frekvenčnega obsega, ki ga prenaša. Če je frekvenčni pas ožji, se lahko tudi poveča občutljivost in obratno. Zaželeno je, da je občutljivost čim večja, saj je potrebna manjša naknadna ojačitev signala in je s tem doseženo boljše razmerje med zvokom in šumom. Izjeme so reporterski mikrofoni, ki se uporabljajo v glasnem okolju in potrebujejo čim manj signala iz okolice. - Smerna karakteristika Usmerjenost mikrofona je odvisnost občutljivosti mikrofona od smeri, iz katerih prihaja zvočno valovanje z enakomerno konstantno jakostjo. V splošnem velja, da imajo mikrofoni ki sprejemajo zvok iz vseh strani, enako krožno karakteristiko. V resnici ima tako karakteristiko le pri nizkih frekvencah, pri visokih pride do izraza usmerjenost. Mikrofoni z osmičasto usmerjenostjo praktično sprejemajo zvok spredaj in zadaj enako dobro in njihova karakteristika skoraj ni odvisna od frekvenc. Take mikrofone uporabljamo za intervjuje. Mikrofoni z ledvičasto usmerjenostjo so zlasti primerni, kadar potrebujemo izoliran glas govornika iz bučnega prostora. Karakteristiko podajamo v polarnem diagramu. Po obliki karakteristike ločimo mikrofone na: 4
- SPL (sound pressure level) Maksimalni SPL (sound pressure level) je pritisk, ki ga lahko mikrofon sprejme in je izmerjen za posamezne vrednosti harmonskega popačenja (THD = total harmonic distortion), po navadi v vrednosti 1 %, kar je šteje za neslišno razliko in pomeni, da lahko snemamo zvok do izmerjene glasnosti, ne da bi škodili posnetku. - Dinamični razpon je pri mikrofonu razlika med minimalnim signalom in največjim hrupom SPL. Ta podatek je zapisan samostojno, npr. 120 db in je slabša informacija, kot posamezna podatka o lastnem šumu in maksimalnem SPL. - Upornost mikrofona Notranja upornost je podatek, ki med posameznimi vrstami mikrofonov variira, pomembna pa je kot vrednost, po kateri prilagajamo mikrofon na linijo oz. ojačevalec. Predstavlja impedanco, ki jo ima mikrofon kot generator zvočnih tresljajev, običajno pa se nanaša na frekvenco 1000 Hz. Če ima mikrofon vgrajen transformator, potem se za impedanco mikrofona smatra impedanca, ki je prenešena na sekundarno stran transformatorja. Mikrofone delimo na dve skupini: nizka notranja upornost (10, 50, 200 in 600 Ω) visoka notranja upornost (25.000, 50.000, 80.000 Ω) Od teh vrednosti je večinoma odvisno, kako dolg je lahko priključni kabel - Lastni šum Lastni šum oz. ekvivalentni nivo je jakost zvoka, ki ustvarja enako izhodno napetost kot lastni šum, ki ga proizvede mikrofon kot elektronska naprava. Predstavlja najnižjo točko dinamičnega razpona mikrofona, podatek pa je pomemben, kadar želimo snemati tihe zvoke. Enota za merjenje je večinoma dba (decibelska skala), lahko pa vsebuje tudi podatek o zračnem tlaku, pri katerem je podatek izmerjen, npr. "15 dba pri 20 µpa". Bolje je, če so števila nižja. 5
- Popačenja Poznamo dve vrsti popačenj, linearna in nelinerana. Obe vrsti zaznamo kot spremembo barve zvoka. Linearna popačenja dobimo takrat, kadar niso prenesene vse komponente sestavljenega zvoka. To pomeni, da mikrofon ne prenaša vseh frekvenc enako, zato lahko rečemo, da so ta popačenja prisotna pri mikrofonih, ki nimajo dovolj široke in dovolj linearne frekvenčne karakteristike. Nelinearna popačenja dobimo takrat, kadar imamo na izhodu mikrofona v našem signalu prisotne tudi komponente, ki jih v zvoku, ki prihaja na membrano ni. Te komponente prispeva mikrofon sam. Pri večini mikrofonov rastejo popačenja z večanjem zvočnega tlaka. - Kalibracija Mikrofone lahko kalibriramo s pomočjo ene od naslednjih metod: znan zvočni vir, radiometer, mikrofon na vročo žico, gibanje suspendiranih delcev, tehnika recipročnosti. Kalibracijo opravimo na prostem (v mirnem in tihem okolju) ali pa v zvočno izolirani komori (akustična jakost in energija povsod konstantni). - Resonanca Vplive resonance na lastnosti mikrofona lahko zmanjšamo in kontroliramo z naslednjimi ukrepi: - Kontrola upornosti; z močnim dušenjem zmanjšamo amplitude vibracij diafragme - Kontrola mase; tu dosežemo, da je resonančna frekvenca dosti nižja od delovne - Kontrola kompliance; zagotovimo, da je resonančna frekvenca dosti višja od delovne 6
DELITEV MIKROFONOV 7
Akustični mikrofoni: - Gradientni mikrofoni: Zvočni tlak deluje na membrano s sprednje strani, zato je ta mikrofon občutljiv na fazno diferenco zvočnega tlaka. Ohišje gradientnih mikrofonov je narejeno tako, da zvočni tlak deluje z obeh strani membrane. - Tlačni mikrofon Tlačni mikrofon deluje na principu cikličnega spreminjanja zračnega tlaka, ki ga povzročajo vibracije elastičnega telesa. - Kombinacija tlačnega in gradientnega mikrofona Z združenjem tlačnega in gradientnega mikrofona v serijo dobimo mikrofonsko napravo, ki ima karakteristiko kardioide s predpostavko, da imata oba mikrofona v aksialni smeri enako občutljivost. To pomeni, da mikrofona dajeta v tem primeru enake izhodne napetosti. 8
Električni mikrofoni: - Ogljeni mikrofon: Ogleni mikrofon je prvi predstavnik mikrofonov, v 21. stoletju pa se uporablja samo še za potrebe telefonskih komunikacij. Delovanje oglenega mikrofona je zasnovano na stikanju oglenih zrnc, ki se nahajajo v kovinskem ohišju. Ohišje je zaprto z elastično membrano, ki je električni prevodnik; od ohišja pa je električno izolirana, tako da se lahko tok med njo in ohišjem teče samo preko oglenih zrnc. Tlak zvočnih nihajev pritiska na membrano, ki odvisno od jakosti zvočnih nihajev povečuje ali zmanjšuje električni kontakt med zrnci, ohišjem in membrano. Oglena zrnca se lahko zaradi močnega toka tudi»zapečejo«in povzročajo velik šum, zato velja zanj omejitev med 100 in 200 ma. V telefoniji se je dolgo obdržal zaradi visoke izhodne napetosti, nizke cene, enostavne konstrukcije. - Piezoelektrični mikrofon Delovanje piezoelektričnih mikrofonov sloni na piezoelektričnem efektu. Osnova je kristalna ali keramična ploščica, ki nam daje pod vplivom pritiska na konceh ploščic električno napetost. Dobra lastnost teh mikrofonov je široko frekvenčno področje (30 Hz do 12 khz), majhen šum in majhna frekvenčna popačenost. Taki mikrofoni so majhnih dimenzij in poceni. Slaba lastnost je, da so občutljivi na vlago in temperaturo. 9
- Kondenzatorski mikrofon Kondenzatorski mikrofon sodi med najdražje in najkvalitetnejše mikrofone. Osnovni element tega mikrofona je kondenzator, ki ima eno od plošč gibljivo. S pritiskom na gibljivo ploščo se razmik med ploščam spreminja, s tem se spreminja kapacitivnost in naboj ter tudi tok, ki teče skozi upor, iz katerega pobiramo izmenično napetost. Ker so ti mikrofoni zelo kakovostni, jih pogosto uporabljajo pri snemanjih v studiju in pri raznih meritvah. Edina slaba lastnost tega mikrofona je, da zaradi razmeroma majhnega upora potrebuje predojačevalnik, ki je večinoma vgrajen v ohišje mikrofona, do njega pa je treba speljati dve dodatni žici za napajanje. - Elektrodinamični mikrofon Slika: Navadni in gradient mikrofon 10
Med najkakovostnejšimi mikrofoni so elektrodinamični mikrofoni. Imajo več dobrih lastnosti, kot so: nizka notranja upornost, široko frekvenčno območje (40 do 15000 Hz), majhna popačenja, zelo majhen šum. Poznamo dve osnovni izvedbi: Tračni mikrofon; uporabljen je trajen magnet, med poloma je nameščen aluminijasti trak, ki se giblje. Mikrofon deluje tako, da zvočne vibracije zatresejo trak. Ta se premika v polju magneta, seka silnice, v njem se inducira napetost, tem večja, čim večje so vibracije. Tuljavični mikrofon; tudi ta ima trajen magnet. Razlika je, da je tu na membrano pritrjena tuljavica. Podobno kot prej se tudi tu tuljava ob zvočnih vibracijah membrane premika v polju magneta, v njej se inducira napetost, ki je direktno odvisna od akustičnega valovanja. Taki mikrofoni imajo zelo dobro frekvenčno karakteristiko, v celem frekvenčnem območju odstopajo le za +/- 2,5 db. Občutljivost je od 0,15 do 0,2 mv na mikrobar. Dinamično področje obsega 120 db. Nivo šuma je okoli 20 db. Mikrofoni so na temperaturo in vlažnost skoraj neobčutljivi, paziti moramo edino na vpliv izmeničnih magnetnih polj. - Elektromagnetni mikrofoni To je mikrofon, ki je bi razvit zlasti z namenom vgradnje v tranzistorske akustične slušne aparate, saj je zelo majhen in ne zavzema veliko prostora. Membrana je pritrjena prek polov na jeziček iz permaloja, ki niha med poloma magnetnega sistema. 11
Litratura - Marjan Bezjak, Miran Saksida: Prenosna in informacijska elektronika 1 - Zapiski predavanj, Prof.dr. Dušan Fefer 12