Микрофоны. Микрофон как системный вход

Микрофоны являются входными компонентами расширенной звуковой системы усиления голоса. В предыдущих главах было установлено, что существует связь между выбором типа и местоположения микрофона, громкоговорителя, говорящего и слушателя, которая влияет на достижимый акустический коэффициент усиления и разборчивость. Следующее беспокойство заключается в том, что происходит с сигналом от акустического входа, в микрофон, через электрические усиления и потери компонентов звуковой системы, до того момента, пока достаточная электрическая мощность не достигнет громкоговорителя, или массива громкоговорителей.

17.1. Микрофон как системный вход.

Существует много замечательных текстов о том, как различные типы микрофонов преобразуют акустическое давление в электрический сигнал. Такие тексты также исследуют конкретные структуры микрофонов, необходимые для достижения конкретных моделей полярных откликов.

Микрофоны можно разделить на несколько категорий:

1. Измерение.

2. Развлечения.

3. Подкрепление (усиление).

4. Трансляция.

5. Запись.

Каждая категория имеет свои особые характеристики. Например, развлекательный микрофон может иметь эффект близости, чтобы добавлять тело (мясо) к тонкому голосу, а также эффект присутствия, чтобы добавлять блеск. С другой стороны, измерительные микрофоны имеют широкополосный равномерный отклик давления. Факт, что внешний вид, тактильные качества и некоторые вспомогательные функции удобства в дополнение к техническим характеристикам играют важную роль в профессиональном выборе микрофона. Следующие параметры относятся к инженерам звуковых систем:

1. Чувствительность.

2. Полярный отклик.

3. Амплитудный отклик.

4. Импедансный рейтинг.

5. Полярность.

6. Фазовый отклик.

7. Максимальный акустический входной уровень.

8. Свойства искажения.

9. Специальные функции, такие как шумоподавление, беспроводные соединения, и внутренние фильтры.

Знание этих определенных технических параметров требуется для интеграции коммерческого микрофона в работоспособную звуковую систему. Когда под рукой нет надежных технических данных, то для получения необходимой информации приходится проводить полевые измерения.

17.2. Чувствительность микрофона.

Чтобы определить уровень входного сигнала в звуковой системе, нам необходимо измерить электрический выход, создаваемый системным микрофоном, когда он подвергается известному звуковому давлению (SP). При проведении таких измерений рекомендуется использовать L_P 94 дБ (1 Па), так как это значение значительно превышает нормальные уровни окружающего шума.

Каждый, кто серьезно заинтересован в области профессионального звука, должен иметь в своем распоряжении, или иметь легкий доступ к высокоточному измерителю уровня звука (SLM). Помимо других применений, SLM требуется для измерения окружающего шума, для калибровки источников и, в случае необходимости, использоваться в качестве ввода для частотной характеристики, времени реверберации, задержки сигнала, искажения и измерения акустического усиления.

Для настройки системы измерения микрофона, показанной на рисунке 17-1, требуется генератор розового шума, микро-вольтметр, фильтр высоких частот и фильтр нижних частот, один из таких фильтров показан на рисунке 17-2, усилитель мощности, и хорошо сконструированный тестовый громкоговоритель в дополнение к измерителю уровня звука SLM.

Рисунок 17-1. Измерение чувствительности микрофона.

Выберите точку измерения (около 5 футов - 6 футов) перед громкоговорителем и поместите там измеритель SLM. Отрегулируйте систему до тех пор, пока SLM не прочитает L_P 94 дБ (полоса розового шума с 250-5000 Гц отлично подходит для этой цели). Теперь замените микрофон, который должен быть проверен для SLM. Возьмите считывание напряжения разомкнутой цепи микрофона на микро-вольтметре. Чувствительность напряжения микрофона может быть определена как:

где, S_V - это чувствительность к напряжению, выраженная в децибелах, ссылающихся к 1 вольту для акустического входа микрофона 1 Па, E_o - это выход разомкнутой цепи микрофона в вольтах.

A. Секция низких частот (Low pass section).

B. Секция высоких частот (High pass section).

Рисунок 17-2. Характеристики срабатывания пассивного фильтра. (Courtesy United Recording Electronics Industries.)

Выходной сигнал напряжения разомкнутого контура микрофона при воздействии какого-либо другого произвольного акустического уровня LP рассчитывается из:

где, E_o теперь представляет собой выходное напряжение на выходе микрофона для произвольного акустического входного уровня L_P. Например, предположим, что образец микрофона проверен условиями на рис. 17-1, в результате чего обнаружено, что напряжение разомкнутой цепи составляет 0,001 В. Чувствительность напряжения этого микрофона, рассчитанная по формуле 17-1, равна:

Этот результат будет прочитан как -60 дБ, при котором 0 дБ составляет 1 вольт на паскаль (1В/Па). Если этот же микрофон будет подвергнут воздействию уровня акустического входа 100 дБ, а не тестового значения 94 дБ, то его выходное напряжение разомкнутой цепи из уравнения 17-2 станет:

Многие современные микрофонные предусилители имеют входные импедансы, которые, по крайней мере, на порядок или больше, чем выходные импедансы обычно встречающихся микрофонов. В таких случаях уравнение 17-2 можно использовать для определения максимального напряжения, которое данный микрофон и звуковое поле будут подавать на вход предусилителя. Чувствительность напряжения уравнения 17-1 - это то, что в настоящее время используется большинством производителей микрофонов.

Другой полезной чувствительностью для микрофона является чувствительность мощности. В этом случае основное внимание уделяется максимальной мощности, которую микрофон может доставить на последовательное устройство, например, микрофонный предусилитель, когда микрофон подвергается воздействию эталонного звукового поля. В этом случае, опорной мощностью является один милливатт или 0dBm и давление опорного звукового поля один паскаль или 94 дБ. Этот рейтинг более сложный, так как он включает выходной импеданс микрофона. Все микрофоны, независимо от конструкции, с подвижными катушками, конденсаторные, ленточные и т. д., имеют собственный выходной импеданс, который в целом является комплексным и зависит от частоты. Строго говоря, для того, чтобы такое устройство обеспечивало максимальную мощность, оно должно работать в нагрузке, которая согласовывается на основе сопряжения, причем реактивность нагрузки является отрицательной реакционной силой источника, а сопротивление нагрузки равно сопротивлению источника (см. главу 8 «Взаимодействие электрических и акустических систем», раздел 8.1 «Цепи переменного тока»).

Предположим, что реальная часть выходного импеданса микрофона равна R_o. В этом случае доступная входная мощность в ваттах, которую микрофон может доставить на вход последовательного устройства, AIP, определяется:

Если AIP ссылается на один милливатт, а микрофон подвергается воздействию звукового поля в один паскаль, то:

Это можно преобразовать в уровень мощности, взяв логарифм по основанию десять уравнения 17-4, а затем умножить на 10 dBm, чтобы получить:

L_AIP выражает чувствительность мощности микрофона в единицах dBm / Pa. Если наш образец микрофона имеет R_o 200 Ω вместе с его чувствительностью по напряжению -60, тогда его чувствительность мощности будет:

Другим полезным способом выразить чувствительность мощности микрофона была бы ссылка доступной входной мощности на звуковое поле 0,00002Pa. Это даст результат на 94 дБм ниже, чем у уравнения 17-5. Если мы обозначим этот рейтинг G_AIP, то:

В этой рейтинговой системе образец микрофона на пороге слуха произведет -153 dBm. Преимущество этой системы заключается в том, что уровень мощности, предоставляемый микрофоном данного говорящего, получается простым добавлением G_AIP к уровню давления голоса говорящего в позиции микрофона. Рейтинг G_AIP, как определено здесь, очень похож на рейтинг EIA для микрофонов. Рейтинговая система EIA (ОВОС, воздействие на окружающую среду) отличается тем, что вместо рейтинга номинального импеданса микрофона используется фактическое выходное сопротивление микрофона.

17.3. Тепловой шум.

В 1927 году, исследуя шумовые свойства усилителей вакуумной трубки, Дж. Б. Джонсон из Bell Telephone Laboratories обнаружил, что входное сопротивление испытуемых усилителей было источником шумового сигнала. Этот резисторный шум был обнаружен отдельно от других известных источников шума, связанных с вакуумными электронными трубками. Было обнаружено, что этот резисторный шум связан с температурой самого резистора и, следовательно, называется термическим шумом, хотя его часто называют шумом Джонсона в честь первооткрывателя. Джонсон передал свои экспериментальные данные Гарри Найквисту, который был физиком, также нанятым Bell Labs. Найквист смог вывести из теории точное количественное описание теплового шума резистора и, следовательно, этот источник шума иногда также называют шумом Найквиста.

Позже Онсагер показал, что тепловой шум резистора обусловлен другой теоремой, известной как теорема флуктуации-диссипации, применимой к более крупному классу физических систем. В этой теореме установлено, что шумовые сигналы являются свойствами только диссипативных элементов системы (т.е. рассеивающих элементов), а не элементов аккумулирования энергии. Как следствие, тепловой шум в электрической системе связан только с реальной частью импеданса схемы, а не с мнимым или реактивным компонентом. Таким образом, любая пассивная электрическая сеть, состоящая из резисторов, катушек индуктивности и конденсаторов, содержит источники напряжения теплового происхождения, связанные с каждым из резистивных элементов. Кроме того, любую пассивную электроакустическую или электромеханическую систему при равномерной абсолютной температуре T можно описать, заменяя эти системы на эквивалентные электрические схемы, также при одинаковой абсолютной температуре.

Флуктуационное тепловое напряжение в резисторе вызвано термически обусловленными изменениями распределения электронов электропроводности по всему телу сопротивления. Мгновенное неравномерное распределение заряда создает мгновенную разность напряжений между концами резистора. Хотя эта разность напряжений имеет среднее значение нуль, она мгновенно отображает случайную полярность и размер, что приводит к ненужному среднеквадратичному значению.

Из теоремы Найквиста каждый резистор может быть представлен как генератор напряжения последовательно с сопротивлением, как показано на рис. 17-3А, где среднеквадратичное напряжение генератора для обычных температур и частот определяется выражением:

где, k - постоянная Больцмана = 1,38 × 10^-23 Дж / °K, T - абсолютная температура на шкале Кельвина, R - сопротивление в Ω, B - ширина полосы наблюдения в Гц.

На рис. 17-3А показан источник теплового шума, напряжение разомкнутого контура которого между указанными клеммами приведено в уравнении 17-7. Спектр шумового сигнала, генерируемого таким источником для всех практических целей, не зависит от частоты, означающей, что он является источником белого шума. Квантовая механика диктует частотную зависимость формы:

где, h - постоянная Планка = 6,62 × 10 ^-34 Дж-с, T - абсолютная температура, k - постоянная Больцмана = 1,38 × 10 ^-23 Дж / °K, f - частота в Гц.

Это выражение начинает отличаться от единицы только на частотах в микроволновой области и за ее пределами и, следовательно, им можно пренебречь для настоящих целей.

Хотя тепловой шум резистора плоский, частотная зависимость изменяется путем подключения к конденсатору или индуктору. На рисунке 17-3B среднее среднеквадратичное шумовое напряжение между указанными терминалами обусловлено тем, что комбинация RC образует фильтр нижних частот. Среднее значение квадрата шумового напряжения, генерируемого в резисторе между частотами f и f + df, может быть записано как:

Рисунок 17-3. Источники напряжения Найквиста.

Резистор и конденсатор образуют делитель напряжения. Среднее квадратное напряжение на конденсаторе в частотном интервале между f и f + df получается путем умножения уравнения 17-8 на квадрат магнитуды частотно-зависимого действия этого делителя напряжения. Результатом этого умножения является:

Чтобы получить средний квадрат напряжения на конденсаторе в конечном интервале частот между нижней частотой f₁ и верхней частотой f₂, необходимо интегрировать уравнение 17-9 по частотному интервалу с результатом:

Корнем среднеквадратического напряжения на конденсаторе будет просто квадратный корень из выражения справа в уравнении 17-10. Это общий результат. Когда значение RCf₂ мало, дуговые касательные члены могут быть заменены их аргументами, в результате чего:

С другой стороны, если RCf₂ достаточно велико с f₂ »f₁, то разница в касательных членах дуги равна π / 2, и предельный результат становится:

Более интересным и практичным является случай на рис. 17-3C. Благодаря применению принципа суперпозиции можно определить ток цепи, когда каждый источник действует один.

Теперь мы в состоянии определить мощность шума, подаваемую каждым источником в другой источник. Пусть P₁₂ - мощность шума, подаваемая источником 1 в источник 2, а также P₂₁ - мощность шума, подаваемая источником 2 в источник 1. Затем,

Следует заметить, что из 17-14 видно, что обе линии одинаковы, за исключением температурного фактора. Источник, имеющий более низкую температуру, получает чистую энергию от источника с более высокой температурой независимо от сопротивления отдельного источника. Только при наличии температурного равновесия с T₁ = T₂ = T будет P₁₂ = P₂₁. Другой интересной задачей является напряжение шума, возникающее между указанными выводами на рис. 17-3C.

Это также можно вычислить путем суперпозиции. Сначала вычисляется напряжение, существующее там, когда источник 1 действует один, а затем, когда источник 2 действует один. Напряжение, когда оба источника действуют одновременно, получается соответствующей комбинацией этих двух отдельных напряжений. Соответствующая комбинация в этом случае представляет собой квадратичную сумму, а не линейную сумму, так как два генератора имеют полностью случайные фазы. Квадратичная сумма получается взятием квадратного корня из суммы квадратов отдельных напряжений при действии в одиночку. Обозначим эту сумму через V', тогда:

Если оба резистора имеют одинаковую температуру, то есть T1 = T2 = T, то выражение упрощается до:

Ясно, что уравнение 17-16 эквивалентно напряжению разомкнутой цепи одного резистора, значением которого является параллельная комбинация двух резисторов R₁ и R₂. Предположим теперь, что существует большое несоответствие между размерами двух резисторов, например R₂ = 100R₁. В этом случае при делении R₂ на числитель и знаменатель под радикальным уравнением 17-16 становится:

Вывод для такой ситуации состоит в том, что среднеквадратичное шумовое напряжение в основном соответствует значительно меньшему сопротивлению в параллельной комбинации. Это часто встречается с современными микрофонными усилителями с R₁, соответствующими выходному сопротивлению микрофона, а R₂ соответствует входному сопротивлению усилителя.

Теперь пусть два резистора будут равны и каждый из размеров R_o. Это будет ситуация, когда микрофон подается в усилитель в согласованных условиях. В этом случае:

Уравнение 17-18 говорит, что общее тепловое шумовое напряжение, возникающее на входе усилителя, будет на 3 дБ меньше, чем, если бы микрофон работал в разомкнутой цепи или в нагрузку, сопротивление которой было намного больше, чем у R_o. В то же время электрический сигнал исполнителя, создаваемый микрофоном, будет уменьшен на 6 дБ. Это будет означать, что отношение сигнал/шум на входе системы ухудшается, работая в согласованной нагрузке. Однако этот факт не следует рассматривать в изоляции. Важным соображением является соотношение сигнал/шум, доступное из системы, состоящей из микрофона и связанного с ним усилителя.

Усилители содержат несколько собственных источников шума. Помимо теплового шума, связанного с сопротивлением цепи, имеется несколько источников шума, связанных с самими активными усилительными устройствами. К таким источникам шума относятся дробовый шум, мерцающий шум, барьерные шумы и шумы рекомбинации. Помимо дробового шума, происхождение которого является квантованием электрического заряда и имеет плоский спектр на звуковых частотах, другие источники шума вообще не имеют плоских спектров. Несмотря на то, что усилитель может иметь несколько каскадных ступеней усиления, в хорошо продуманной системе общее шумовое поведение преобладает в первом каскаде усиления с высоким усилением.

Показатель достоинства в отношении шумового поведения усилителей может быть получен с учетом ухудшающего эффекта, который усилитель оказывает на отношение сигнал/шум источника сигнала. На рис.17-4А изображен источник сигнала, состоящий из генератора сигналов среднеквадратичного напряжения V_S² и сопротивления источника R_S. Наряду с сопротивлением источника есть генератор теплового шума, имеющий среднее квадратное напряжение в узком интервале частот V_n².

Отношение среднеквадратичного напряжения сигнала и тепловых шумов является наилучшим образом доступным по разрешению по природе и будет называться отношением сигнал-шум источника, обозначаемым как SNR. Ситуация меняется, когда источник подключен к входному сопротивлению усилителя, как изображено на рис. 17-4В. R_in влияет на работу источника сигнала путем введения ослабления сигнала и создания собственных тепловых шумов, как обсуждалось ранее. Кроме того, присутствие R_S влияет на работу усилителя, поскольку он обеспечивает параллельный путь для шумовых токов входной цепи усилителя. Это означает, что шумовые характеристики усилителя будут чувствительны к сопротивлению источника.

Рисунок 17-4. Источник сигнала и связанные с ним тепловые шумы.

Разумеется, это соотношение сигнал/шум на выходе усилителя. Это соотношение можно записать в виде:

где V_oS² - среднеквадратичный выходной сигнал усилителя в узкой полосе с центром по частоте сигнала, V_on² - средний среднеквадратичный выход усилителя в узкой полосе с центром на частоте сигнала.

Наконец, показатель полезности шума можно записать в виде:

Большинство аудио усилителей при использовании тока имеют входные сопротивления, которые значительно больше, чем обычные сопротивления источника. В этом случае,

В уравнении 17-21 член A² является квадратом напряжения усиления усилителя, а V_nA² - среднеквадратичным шумовым напряжением на выходе усилителя, создаваемым только усилителем при работе от бесшумного сопротивления источника, равного R_S. Выражение бесшумного сопротивления источника требует некоторого объяснения. Напомним, из обсуждения, приводящего к уравнению 17-17 видно, что тепловой шум на выходе усилителя в этом случае полностью учитывается первым членом в знаменателе выражения отношения сигнал/шум усилителя. Кроме того, размер второго слагаемого частично зависит от величины сопротивления источника, не зависящего от теплового шума резистора. Удобно отсылать выходной шум усилителя в его входную схему путем выбора среднего квадратного шумового напряжения V_nin ², так что:

Наконец, мы подберем резистор, среднеквадратичное значение которого будет равно квадратичному напряжению, равному значению усилителя, когда оно относится к входу усилителя.

Показатель достоинства шума теперь становится:

Здесь есть предостережение. В отличие от теплового шума, который имеет плоский спектр, шум, связанный с усилителем, зависит от частоты, поэтому R_e сам зависит от частоты.

Помните также, что размер R_e отличается для разных вариантов сопротивления источника. Показатель шума усилителя обозначается NF и связан с показателем достоинства, обсуждаемым здесь.

В предыдущем обсуждении мы рассмотрели узкую полосу частот, центрированную по частоте источника сигнала. Показатель шума, а также эквивалентный шумовой резистор, полученный таким образом, это то, что для рабочей частоты источника сигнала. Обратите внимание, однако, что выражение для показателя шума не содержит никакого фактора, связанного с размером подлинного сигнала.

При экспериментальном определении показателя шума просто требуется, чтобы сопротивление, равное предполагаемому сопротивлению источника, было подключено непосредственно к входу усилителя. Этот резистор при необходимости связывает ассоциированные с ним тепловые шумы. Эта температура резистора должна поддерживаться фиксированной при любой абсолютной температуре. Полный шумовой сигнал на выходе усилителя должен проходить через узкий полосовой фильтр, центрированный на конкретной интересующей частоте, прежде чем он будет наблюдаться на истинном среднеквадратичном вольтметре с достаточной чувствительностью. Усиление напряжения усилителя должно быть точно известно или измерено, и тогда может быть рассчитан уровень шума исходного резистора.

Специальные методы измерения могут потребоваться, потому что Δf довольно мала, и шум усилителя, наблюдаемый в узком интервале частот, следовательно, также мал. Если вас интересует средний показатель шума по всему звуковому диапазону, то в нем используется максимально плоский полосовой фильтр соответствующей ширины. Независимо от того, является ли ширина полосы наблюдения малой, Δf, или широкая, B, соответствующая ширина не является частотным интервалом между половинными значениями мощности, как обычно определено, по следующей причине.

Спектр теплового шума плоский, а частотный интервал, используемый в этих уравнениях - для идеального фильтра. В зависимости от крутизны склонов обычного фильтра значительная мощность шума может передаваться для частот вне обычной полосы пропускания. Ширина таких фильтров должна быть уменьшена до тех пор, пока они не пройдут ту же мощность, которую пропускал бы идеальный фильтр в интересующем частотном интервале, когда он снабжен плоским спектром. Шумовые свойства усилителей можно сообщать связанным, но иным образом, чем у NF. Это делается путем сообщения эквивалентного входного шума усилителя, выраженного как уровень мощности относительно одного милливатта. Это выражение называется EIN. EIN в dBm рассчитывается из:

EIN - это доступный уровень входной мощности фиктивного генератора шума с напряжением разомкнутой цепи, равным квадратичной сумме, вырабатываемой сопротивлением источника и эквивалентным шумовым сопротивлением усилителя. Внутреннее сопротивление этого фиктивного генератора шума устанавливается равным сопротивлению источника. Если вы вычтите величину показателя шума усилителя, выраженную в дБ от EIN, то вы достигаете уровня входного уровня теплового шума только для сопротивления источника.

Если интерес сосредоточен на пороговом уровне шума системы, тогда EIN является ответом без дальнейших вычислений. Если интерес направлен на снижение отношения сигнал/шум (SNR), то важным знанием является NF. Отношение сигнал/шум, выраженное в децибелах на выходе усилителя, меньше, чем отношение сигнал/шум источника сигнала на величину, равную NF. Воспользовавшись обозначением уравнения 17-21:

На этом этапе стоит рассмотреть некоторые выборочные вычисления. Нужно начинать со спецификации микрофона и спецификаций усилителя, соответствующих импедансу источника, представленного микрофоном, а также уровню давления говорящего.

Целью является определение отношения сигнал/шум на выходе усилителя, выраженного в дБ. Расчет будет проводиться с использованием двух разных методов. Сначала следует проверить, что выходное сопротивление микрофона служит в качестве сопротивления источника для усилителя и что данные усилителя подходят для использования с этим микрофоном.

Во-первых, воспользуемся уравнением 17-2 для определения среднеквадратичного напряжения сигнала громкоговорителя, создаваемого микрофоном.

Далее применяют уравнение 17-7, чтобы определить среднеквадратичное тепловое шумовое напряжение, создаваемое выходным сопротивлением микрофона.

На вышеуказанном этапе температуру окружающей среды принимали равной 20 °С, что соответствует 293 ° по абсолютной или кельвиновской температурной шкале. Тогда, SNR источника сигнала, выраженного в децибелах:

Прежде чем приступить к альтернативному вычислению, следует указать, что когда 17-4 применяется к источнику теплового шума, а затем к одному милливатту, то результат, выраженный в виде доступного уровня мощности шума, определяется:

Уровень входного уровня шума в микрофоне:

Микрофон обеспечивает доступный уровень входной мощности, который является суммой G_AIP и L_P. Это приводит к сигналу, доступного уровня входной мощности:

Тогда, отношение сигнал/шум на выходе усилителя, выраженное в дБ:

Этот посредственный результат является следствием работы нечувствительного микрофона в сочетании с шумным усилителем.

Показатель шума усилителя на основе биполярных транзисторов сильно зависит от сопротивления источника сигнала. Такие усилители работают в лучшем случае с сопротивлением источника, падающим в диапазоне от 5 кОм до 20 кОм. У любого данного усилителя есть оптимальное сопротивление источника, для которого его показатель шума меньше. Похоже, что оптимальные шумовые характеристики будут получены с микрофонами с низким импедансом, когда их выходное сопротивление может стать оптимальным сопротивлением источника, требуемым для усилителя, имеющегося под рукой.

Таким образом, можно получить показатели шума размером до 1 дБ. В таких случаях целесообразно использовать качественный повышающий трансформатор соответствующего коэффициента поворота (числа витков, передачи) на входе усилителя. Повышающий трансформатор с коэффициентом числа витков 1:n будет преобразовывать R_o в n². Напряжение сигнала от микрофона, а также тепловое шумовое напряжение микрофона увеличиваются на тот же коэффициент n. Таким образом, отношение сигнал-шум микрофона не изменяется, обеспечивая то, что входное сопротивление усилителя, если смотреть с микрофона, по-прежнему велико по сравнению с R_o.

Вышеупомянутый анализ несколько упрощен, так как не было рассмотрено возможное существование реактивных сопротивлений, связанных с выходным импедансом микрофона. Это достаточно точно в отношении конденсаторных микрофонов, которые включают в себя низкочастотные транзисторные источники питания, встроенные в корпус микрофона. Эта внутренняя схема работает от локальной батареи или внешнего фантомного питания. Эти повторители источника предлагают выходные импедансы порядка 50 Ом, которые являются чисто реальными и, следовательно, резистивными. Кабель микрофона вводит шунтирующую емкость, и эта емкость в сочетании с R_o образует фильтр нижних частот первого порядка. При разумной длине кабеля угловая частота этого фильтра намного превышает спектр звука и не влияет на вычисления отношения сигнал/шум.

При использовании динамических микрофонов требуется дальнейшая обработка. Рассмотрим типичный динамический микрофон. Капсула микрофона похожа на миниатюрный громкоговоритель. Капсула имеет диафрагму и прикрепленную катушку, которая перемещается в воздушном зазоре магнитной структуры. Движение диафрагмы обусловлено изменениями акустического давления, падающими на ее поверхность. Обычно катушка имеет сопротивление всего лишь несколько Ом и индуктивность, которая составляет небольшую часть миллигенри. Небольшой повышающий трансформатор включен в корпус микрофона, который преобразует сопротивление в несколько сотен ом и индуктивность в несколько миллигенри. Капсула имеет низкочастотный механический резонанс, который влияет на поведение импеданса всей сборки. За исключением масштаба, величина выходного импеданса зависит от частоты, аналогичной динамическому громкоговорителю, как показано на рис. 18-22 главы 18 «Громкоговорители и массивы громкоговорителей».

Номинальный импеданс изготовителя обычно представляет собой величину, найденную на минимуме кривой, расположенной выше частоты механического резонанса. Для частот, значительно превышающих механический резонанс, выходной импеданс микрофона соответствует последовательному сопротивлению R_o и последовательной индуктивности L_o, шунтированной емкостью C_c любого подключенного микрофонного кабеля. Эта структура изображена на рис. 17-5А. Эта же структура, если смотреть с точки зрения микрофонного усилителя, показана на рисунке 17-5B.

Рисунок 17-5. Эквивалентная схема динамического микрофона и импеданса источника усилителя.

Как показано на рисунке 17-5А, внутренний импеданс динамического микрофона наряду с шунтирующей емкостью кабеля, соединяющего микрофон с усилителем, образует фильтр нижних частот второго порядка, который заканчивается входным сопротивлением усилителя. Напряжение разомкнутой цепи микрофона представлено генератором напряжения размера Vo. Типичными значениями для компонентов схемы являются R_o = 200 Ω, L_o = 2 mH, C_c = 2 nF и R_in = 1 MΩ. Амплитудное поведение этой схемы лучше всего описывается построением графика затухания в зависимости от частоты, когда затухание составляет 20dBlog(V_in ⁄ V_o), а V_in - напряжение, возникающее на входном сопротивлении усилителя. Этот результат показан на рисунке 17-6.

Поведение фильтра безобидно до 2 кГц. Выше 2 кГц фильтр начинает демонстрировать усиление, а не потерю. Это результат затухающего резонанса, который происходит на частоте, намного превышающей нормальную звуковую полосу. Коэффициент усиления фильтра на частоте 20 кГц составляет менее 0,6 дБ и фактически немного выгоден для компенсации естественного высокого падения частоты естественного отклика микрофона. Сигнал говорящего в микрофон, также как и сигнал его теплового шума испытывают такое же усиление, и не влияет на поведение отношения сигнал/шум. Другое соображение относительно поведения шума - это сопротивление источника, если смотреть с точки зрения усилителя. Этот импеданс изображен на рисунке 17-5B. Величина этого импеданса источника изображена на рисунке 17-7.

Рисунок 17-6. Амплитудное поведение фильтра.

Рисунок 17-7. Импеданс источника, просматриваемый усилителем.

Сопротивление источника является резистивным при постоянном значении 200 Ом до примерно 2 кГц. Выше этой точки до 20 кГц, импеданс источника имеет частотно-зависимую реактивную составляющую в дополнение к сопротивлению 200 Ом. Такое поведение будет оказывать умеренное влияние на отношение сигнал/шум в частотной декаде от 2 кГц до 20 кГц. Этот скромный эффект может быть улучшен, поскольку большинство усилителей предпочитают импедансы источника более 200 Ом. Таким образом, пренебрежение реактивной составляющей выходного импеданса микрофона, по-видимому, приводит лишь к незначительным ошибкам в расчетах отношения сигнал/шум.

17.4. Выбор Микрофона.

Микрофоны обычно выбираются на основе механизма, чувствительности, характера отклика, полярной диаграммы отклика и рабочих характеристик. Механизм относится к физической природе преобразующего элемента микрофона. Чувствительность в текущей практике ссылается на чувствительность напряжения S_V. Характер отклика ссылается на то, пропорционален ли выход микрофона акустическому давлению, или акустическому градиенту давления или скорости акустических частиц. Полярные отклики суммируют направленные характеристики микрофона. Рабочие характеристики являются результатом того, изолирована ли механически структура корпуса микрофона от преобразующей структуры микрофона. Ниже приведен список популярных микрофонов в соответствии с механизмом преобразования.

1. Углеродный (угольный).

2. Конденсаторный.

3. С подвижной катушкой.

4. Ленточный.

5. Пьезоэлектрический.

Углеродный.

Углеродные микрофоны появились в качестве преобразователей в ранних телефонах. Изменения давления на металлической диафрагме приводили в действие металлический кнопочный контакт, чтобы либо увеличить, либо уменьшить уплотнение гранул углерода, содержащихся в латунной чаше, чтобы уменьшить или увеличить сопротивление сборки. Таким образом, ударяющий звук модулирует постоянный ток в цепи, содержащей батарею и элемент микрофона. Углеродные микрофоны довольно чувствительны и недороги в конструкции. В дополнение к нормальному тепловому шуму такие микрофоны страдают от колебаний контактного сопротивления между углеродными гранулами даже в отсутствие акустического возбуждения. Высокий пороговый уровень шума и ограниченный частотный отклик ограничивают применение таких микрофонов в системах звукоусиления.

Конденсаторный.

Конденсаторные микрофоны существуют в двух основных формах. В одной форме конденсатор имеет переднюю пластину, образованную гибкой диафрагмой с низкой массой, металлической или металлической пленкой, отделенной воздушным зазором от изолированной жесткой металлической перфорированной задней пластины. Движение воздуха через перфорации в задней пластине служит для ослабления механического резонанса диафрагмы. Этот резонанс возникает на высокой частоте в результате жесткой диафрагмы с малой массой. Диафрагма работает при потенциале земли, в то время как задняя пластина заряжается через очень высокое сопротивление постоянным напряжением до 2