Микрофоните & Основи на тяхната Употреба

АБВ на Микрофоните

&

Основи на тяхната Употреба

Как работят?

При микрофоните има два основни принципа на работа: динамичен и кондензаторен принцип. Динамичните микрофони се състоят от фина диафрагма свързана с малка алуминиева намотка, която е поставена в силно магнитно поле. Когато звукът достигне до диафрагмата, той я раздвижва навътре и навън. Движението на намотката в постоянното магнитно поле образува напрежение в нея, което съответства на налягането, което е упражнено върху диафрагмата, както е показано на фиг. 1.

Тук обикновенните повтарящи се звукови вълни, достигат мембраната (А) и произвеждат изходно напрежение (В). Микрофони използващи принципа на кондензатора обикновено се наричат кондензаторни. Такива микрофони се състоят от фиксирана задна пластина, в близост до мембраната, както е показано на фиг. 2

Между задната плоча и мембраната се образува постоянен електрически заряд. Когато мембраната се задвижи под влияние на звуковите вълни, напрежението между плочата и мембраната се изменя и създава електрически импулси, предаващи се нататък по веригата.

Днес, поляризирания заряд, използван при повечето кондензаторни микрофони е "вграден" предварително в микрофона. Това става посредством електрет, постоянно наелектризиран слой върху плочата или на задната част на самата мембрана. Външно поляризиране се използва при висококачествените студийни микрофони. На фиг. 3 е показан схематичен изглед на предварително поляризиран кондензаторен микрофон, с електретен материал разположен върху задната плоча.

Всички кондензаторни микрофони са снабдени с предусилвател, който е поставен непосредствено след мембранат. Неговата задача е да превръща твърде високия електрически импеданс на кондензаторния елемент до подходящи ниски стойности, така че сигнала лесно да бъде предаден чрез стандартен микрофонен кабел без забележими загуби. Някои преполяризирани (електретни) кондензаторни микрофони са директно захранвани с вътрешна 9-волтова батерия, както този, показан на диаграмата. Но повечето кондензаторни микрофони се захранват с 48-волтов външен източник (т.нар. "фантомно захранване"), от миксерна конзола или друго оборуднане. Някои микрофони, като например AKG C1000S, са конструирани да работят и 9-волтова батерия и с

фантомно захранване.

Насоченост на микрофоните

Най-основната характеристика за един микрофон е неговата триизмерна чувствителност. Около 90% от всички микрофони спадат към два основни вида чувствителност: омнидиректни (всеобхватни) и семйството на кардиоидите. Кардиоидите са осонвно еднопосочни и имат три вариации: основният кардиоиден вид, хипер кардиоид и супер кардиоид.

Съществуват и т.нар. микрофони "пушка", съставени от дълга интерференчна тръба, която позволява висока степен на насоченост при средните и високите честоти. Този тип  микрофони не се използва много често, но е полезен, когато трябва да се достигне от дадено място отдалечен източник на звук.

  • Омнидиректни

Фиг. 4 Показва основната омнидиректна характеристика в двуизмерна графика, известна още като поларна диаграма (А), доакто три измерната схема е показана на (В). Омнидирекнтата чувствителност се постигната чрез ограничаване на звука да влиза в микрофона отпред, фронтално на мембраната. Поради това има много малка разлика въз основа посоката на пристигащия звук, така че микрофона ще реагира еднакво на звука, който идва от всичкипосоки. При много високите честоти, разбира се, ще има малко разминаване с това и микрофона ще покаже предпочитание към звука, който пристига фронтално, но за повечето приложения, това е незабележимо.

  • Кардиоидни

Фиг. 5 показва детаилите на един кардиоден микрофон. Забележете, че тук има два пътя към мембраната: единият е фронтално, а другият е през отвори отстрани. За звукови източници, които са разположени на on-оста, или имат 0 градуса ъгъл на падане, (показани на А), звукът, който пристига фронтално, ще бъде винаги водещ или по-силен от звука, който влиза по пътя през задния отвор. Това е така, защото той изминава по-кратко разстояние. За източник, който се намира отзад (180 градуса ъгъл на падане), двата звука, които пристигат до мембраната ще бъдат равни и противоположни и по този начин ще се неутрализират, както е показано на В. Използвано е акустично съпротивление в конструкцията на микрофона, което да осигури еднакъв път на фронталните и на задните вълни, които пристигат от източника, който се намира на ъгъл 180 градуса.

За средните позиции на ъгъла на падане характеристиката ще варира, както е показано на поларната диаграма (6А). Триизмерната схема на кардиоидния вид е показана на 6В.

Вътрешната структура на кардиоидния микрофон е доста по-сложна отколкото омнидиректния. Трябва да се обърне особено внимание на задния път, така че неутрализирането на 180 градусовите източници да бъде еднакво за възможно най-голям обхват от честоти. Пример за отличен кардиоиден микрофон измерен при 0, 90 и 180 грдуса е показан на фиг. 7. Както се вижда, намаляването на нивото при 180 градуса е от порядъка на 20 - 25 dB в средночестотния обхват, но кардиоидното действието намалява в двата края - при много високите и много ниските честоти

  • Хиперкардиоид и Суперкардиоид

Те са разновидности на основния кардиоиден вид, които могат да бъдат много полезни за определени приложения. Ако променим леко задния път на звука, то ъгъла при, който имаме най-слаб сигнал се променя. Има два допълнителни вида, които произтичат от тези промени и те се наричат хиперкардиоид и суперкардиоид. Тези видове притежават способността да променят "обсега" на микрофона и могат да бъдат много полезни при различни озвучителни системи, като осигуряват повече усилване преди микрофония отколкото стандартния кардиоиден микрофон.

Някои важни характеристики на омнидиректните и кардиоидните микрофони.

  • Омнидиректни

1.Повечето омни микрофони, особено кондензаторните имат много равна честотна характеристика и затова са широко използвани при запис и озвучаване на говор.

2.Омнидиректните микрофони имат сравнително малко шум и не показват ефекта от близостта изявен в повишаване на ниските честоти, който имат кардиоидите

3.Поради тяхната добре уплътнена мембрана,  омни микрофоните са относително по-здрави от кардиоидните.

  • Кардиоиди

1.  Кардиоидния микрофон има по-голям обсег от омни. Поради чувствителността му, която е насочена напред, той има по-голямо отношение между чувствителността по главната ос и от случайно падащи ъгли. Фиг. 8А показва сравнение между омни и кардиоиден микрофон, във величина еквивалентно работно разстояние. Това, което фигурата показва е, че кардиоидния микрофон може да се използва на разстояние 1.7 пъти от работното разстояние на омни, докато имаме същото средно ниво на шум в стаята. Хиперкардиоидът може да се използва при 2 пъти разстоянието на омни за същия ефект, а суперкардиоидът - 1.9 пъти.

Когато става дума за dB при една и съща работна дистанция, кардиоидът ще отхвърля случайно пристигащите звуци 4.8 dB по-ефективно от  омни, както е показано на фиг. 8В. За  сравнение, суперкардиоидът - 5.8  dB, а хиперкардиоидът 6 dB повече отхвърляне.

2.Ефекта от близосста e благословение и проклятие. Много певци обичат да си увличават ниските честоти, на гласа, като доближават микрофона по-близо до устата си. От друга страна този ефект прави кардиоидните микрофони много чувствителни за шумове от боравенето с микрофона и от вятъра. Фиг. 9 показва типичен ефект от близостта на кардиоиден микрофон.

3.При нормални звукоусилващи положения кардиоидният микрофон предлага допълнителна защита от обратна връзка (микрофония), въпреки че вероятно не достига 4.8 dB както споменахме по-рано.

Докато един студиен инжинер ще предпочете обикновен кардиоиден микрофон заради неговата 180 градусова нула, то един озвучител предпочита суперкардиоид или хиперкардиоид, заради техния допълнителен обсег. Като отварят леко задния 180 градусов лоб, фронталната чувствителност става по-стеснена. Това може да бъде полезно на сцена, когато често двама или повече изпълнители на сцената са доста близо един до друг

Електрически аспекти на микрофоните

В тази част ще обсъдим пет точки: импеданс, чувствителност, ниво на собствения шум, точка на претоварване, захранване.

  • Импеданс

В модерната инженеригова практика AKG кондезаторните микрофони имат вътрешен импеданс в обхвата от 200 ома, докато динамичните варират от 200 до 800 ома. Основно тези стойности попадат в обхвата на обозначението "нисък импеданс". Всички те са проектирани да се свързват с модерните миксерни конзоли с номинален импеданс от 3000 ома и повече. Предимството на ниско импедансните микрофони е, че те могат да бъдат използвани на доста голямо разстояние от пулта без забележими загуби. Разстояние до 180 м., което се среща рядко при нормални приложения е безпроблемно. Ако ниско импедансните кабели са балансирани, те остават нечувствителни към нормалните външни електрически смущения.

  • Чувствителност

При измерване (и калибриране) чувствителността на микрофон, той се поставя в звуково поле, в което нивото на звуковото налягане от 94dB на 1000Hz остава постоянно в микрофона. 94 dB е ниво на звуковото налягане равно на един Паскал (Pa). Измерва се ненатовареното изходно напрежение и се определя номиналната чувствителност.

Чувствителността е също се дава и в dB отнесени към 1 волт, означение познато като dBV. Следващата таблица ни дава чувствителността на някои AKG микрофони:

Модел

Тип

Чувствителност

dBV

C414B/ULS

Кондензаторен (multi-pattern)

12.5 mV/Pa

- 38

C480 CK61

Кондензаторен (multi-capsule)

10 mV/Pa

- 40

С535ЕВ

Кондензаторен (вокал/инстр)

7 mV/Pa

- 43

C3000

Кондензаторен електрет

11 mV/Pa

- 39

D3800

Динамичен (вокал)

2.8 mV/Pa

- 51

D770

Динамичен (вокал/инстр)

2.5 mV/Pa

- 52

D58

Динамичен (неутрализ. шум)

0.72 mV/Pa

- 63

(Уравнението за превръщане на mV/Pa в dBV е dBV = 20 log (mV/Pa) - 60)

  • Ниво на собствен шум

Вътрешния шум на кондензаторен микрофон е чуваемото ниво на шума, което произвежда микрофона, когато той е поставен в изолирана от други шумове среда. Като пример един микрофон, който има ниво на вътрешен шум 15 dBА произвежда същото ниво, както и съвършен микрофон поставен в стая с околен шум 15 dBА. АKG C480 има 10 dBA шум и е много търсен за студийни записи. При динамичните микрофони не се измерва нивото на вътрешен шум., тъй като то зависи от чувствителността и използваните електрически елементи.

В много случаи можем да пренебрегнем собственият шум на микрофоните, защото обикновено акустическият шум в работната среда е значително по-висок.

  • Точка на претоварване

Ефективната горна граница на нивото на звуковото налягане, която един микрофон може да понесе, преди да произведе изкривявания. Производителите са възприели като правило стойности за изкривявания от 0,5% или 1%.

При динамичните микрофони се отбелязва стойността на нивото на звуково налягане при което хармоничните изкривявания са в обхвата 1% и 3%.

  • Захранване

Всички кондензаторни микрофони се нуждаят от някакъв вид захранване, затова имат и предусилвателна секция. Много електретни микрофони имат 9 волтова батерия от която се захранват. Всички не-електретни кондензаторни микрофони се захранват от универсалното фантомно захранване, показано на фиг. 10

Фантомното захранване покрива номинални стойности от 12, 24 и 48 волта, като толеранса е достатъчен повечето микрофони да могат да се захранят където и да е между 9 и 48V

Основни принципи при употреба на микрофони.

  • Взаимодействие на няколко микрофона

Повечето хора имат желанието да използват твърде много микрофони. Когато става въпрос за изпълнение простото правило е, че по-малкото много често е повече. Множество отворени микрофони не само, че причиняват оцветяване на честотната характеристика от гребеновия ефект, но също така правят системата по-лесно податлива на обратна връзка. Сега ще илюстрираме някои от най-често срещаните проблеми.

  • Правилото три към едно

Фиг. 11 А ни показва правилния начин да покрием двама изпълнители, които са застанали на близко разстояние и всеки един има микрофон. Ако разстоянието между микрофоните е поне три пъти по-голямо от разстоянието между микрофона и прилежащият му изпълнител, то сигнала от отдалечния изпълнител до нашия микрофон ще бъде 10 dB по-слаб, което няма да представлява голям проблем.

Ако все пак източник 1 е по-силен от източник 2, както е показано на фиг. 11В, тогава по-слабия изпълнител ще трябва да си приближи микрофона.

  • Комбинирани микрофони на подиум
Ако два микрофона се комбинират, така че говорителя винаги да бъде озвучен, то би трябвало да се положат и допълнителни грижи, за да бъде начинанието правилно и успешно. Фиг. 12А показва, как постъпват неопитните хора. Тук два микрофона са поставени далеч един от друг, като и двата покриват цялото местоположение на говорителя. Това е неправилен начин за построяване на системата. Правилният начин е показан на фиг. 12Б. Двата микрофона трябва да бъдат поставени един до друг и наклонени така, че техният общ ъгъл на покритие да обхване всяка позиция на говорителя.

Какъв е проблема? В случая от фиг. 12А има само една правилна позиция за говорителя. Той трябва да стои само в центъра на равно разстояние от двата микрофона. Ако той се отдалечи от тази позиция относителното забавяне на звука ще предизивика вмешателство и някои честоти ще се неутрализират, а други ще се усилят.

 

  • Отражения от близкостоящи повърхности

Фиг. 13А показва обикновените проблеми при озвучаване и при запис. Отражателната повърхност може да бъде повърхността на маса, амвон, стена или под. В случая изобразен на картинката, има два ефективни източници на звук, основният и отразеният. При микрофона те се съединяват с закъснение между тях, като произвеждат честотна характеристика на звука, подобна на показаната на фиг. 13А. Правилото, което трябва да се спазва е: микрофона максимално далеч от отражателна повърхност - или да се монтира директно върху самата повърхност, както е показано на фиг. 13В, което прави директния и отразения звук да имат почти едно и също време.

Помнете също, че с омнидиректни микрофони ефекта е дори по-лош, тъй като този вид почти не разграничава звука идващ от главната ос и отстрани.

Проблема с отраженията от стените и пода през последните две десетилетия, даде възможност за възхода на така наречените boundary /повърхностни/ микрофони. Те са направени да се монтират направо върху някоя равна повърхност, където да приемат и директните и отражените сигнали в една и съща фаза. В резултат на това на изхода на такъв микрофон ще имаме двойно по-високо ниво (+6dB) от колкото от един микрофон, който е поставен далече от преграда. Първите версии на тези микрофони обикновено били омнидиректни, но в момента са произвеждат и микрофони от семейството на кардиоидите.

  • Вятъра и микрофоните. Не ги смесвайте!

Без значение дали е на открито или в зала задължително е да пазим микрофоните от вятър, особено насочените. Никога не духайте в микрофона, за да разберете дали работи! Това е наказание за слушателите, също така предизвиква риск от навлажняване гъбата на микрофона. Учудващо е колко много хора, които редовно говорят на обществени места, никога не са били научени на елементарните правила за използване на микрофоните.

Правилото, за предотвратяване на шума от вятъра и "поп" ефекта е, като държим микрофона на една страна, насочен към устата на говорителя, но без да му позволяваме да говори директно в микрофона. Така ще избегнем "пуфканията" от вятъра (дъха), които са толкова дразнещи за слушателя. Ключът е в разполагането на микрофона върху подиума така, че "пуфкания" от въздушната струя върху микрофона да не се случват.

За микрофони, които се държат в ръката, просто трябва да се научите да ги държите на една страна, а не директно към устата. 3