Микрофонная матчасть ver 2

Микрофонная матчасть ver 2

Микрофоны делятся на два больших типа: конденсаторные и динамические (другие типы среднего анона не интересуют).

КОНДЕНСАТОРНЫЕ МИКРОФОНЫ

В конденсаторных микрофонах звук снимается конденсатором: колебания мембраны вызывают изменение его ёмкости. Сама мембрана - это очень лёгкая тонкая пластинка или плёнка, поэтому конденсаторные микрофоны чувствительны и отлично улавливают окружающие звуки в широком диапазоне частот.

Чтобы конденсаторный микрофон мог работать, его конденсатор должен быть заряжен. В конденсаторных микрофонах с внешней поляризацией на конденсатор подаётся питающее напряжение (обычно 48 вольт). Такие микрофоны стоят дорого и обычно применяются в студиях звукозаписи, у них капсюли с мембранами большого диаметра и высокого качества.

В электретных микрофонах используется электрет - вещество, которое долгое время сохраняет заряд. Электретный капсюль можно сделать очень компактным и дешёвым, вдобавок ему не нужно поляризующее питание. Поэтому электретные капсюли малого диаметра стали самыми популярными: их ставят в телефоны, ноутбуки, камеры, дешёвые микрофоны и так далее. Есть и качественные электретные капсюли с мембранами побольше, они используются в дорогих микрофонах. Однако электретные микрофоны служат меньше других типов, поскольку электрет со временем теряет заряд вплоть до полного окирпичивания капсюля.

Электретные микрофоны часто называют просто конденсаторными. Формально это корректно, но по факту маркетологи вызывают ассоциации с более дорогими конденсаторными микрофонами с внешней поляризацией.

ДИНАМИЧЕСКИЕ МИКРОФОНЫ

Обычно под динамическими имеют ввиду катушечные микрофоны, аналогичные по принципу и устройству на динамики. Мембрана соединена с катушкой вокруг магнита. Звуковые волны заставляют мембрану колебаться, а перемещение катушки в магнитном поле индуцирует электрический ток.

Мембрана с катушкой весит больше пластинки или плёнки конденсатора, поэтому она менее точно передаёт звук. По сравнению с конденсаторными, динамические микрофоны улавливают меньше деталей и уступают в диапазоне частот. Они дают сигнал гораздо слабее и поэтому более требовательны к усилению. Вдобавок динамические капсюли больше и тяжелее, чем конденсаторные и тем более миниатюрные электретные.

Зато динамические микрофоны вообще не требуют питания. Они просты, надёжны и могут выдержать очень мощное давление без искажения звука. Именно в них кричат на сцене певцы ртом. Динамические микрофоны плохо улавливают посторонние шумы (особенно на высоких частотах), поэтому их удобно использовать в неподготовленных помещениях или на улице. Наконец, многим людям нравится специфический окрас голоса, известный по радио и подкастам.

Другой вид динамических микрофонов - ленточные микрофоны. В них используется очень тонкая металлическая лента, подвешенная между магнитами. Звуковые волны заставляют ленту колебаться, что индуцирует электрический ток. Сверхтонкая лёгкая лента чутко реагирует и хорошо передаёт звук, однако она очень хрупкая. Во многих ленточных микрофонах её можно запросто повредить мощной воздушной волной или хранением микрофона в горизонтальном положении. Кроме того, ленточные микрофоны дают ещё более слабый сигнал, чем катушечные.

ПИТАНИЕ И ОБВЯЗКА КАПСЮЛЯ

Конденсаторному микрофону с внешней поляризацией обязательно нужно питание для создания заряда. Из-за очень высокого сопротивления капсюль соединяют с выходами не напрямую, а через предусилитель, которому также нужно питание. Обычно питание подаётся по тем же проводам, что и звуковой сигнал, поэтому оно называется фантомным. Стандарт фантомного питания конденсаторных микрофонов составляет 48 вольт.

Электретным микрофонам не нужно поляризующее напряжение, однако из-за очень высокого сопротивления им также требуется предусилитель, на который подаётся питание. Даже простейшие миниатюрные электретные капсюли содержат транзистор внутри, не говоря о более сложных схемах. Дорогие электретные микрофоны требуют   фантомное питание 48 вольт, а дешёвые капсюли рассчитаны примерно на напряжение от 2,2 до 5 вольт, которое поступает с микрофонного входа (2,2 вольта) или USB-порта компьютера (5 вольт). Есть и микрофоны с питанием от батареек.

Динамическим микрофонам вообще не нужно питание. Капсюль с катушкой или лента имеют гораздо меньшее сопротивление, поэтому их можно подключать напрямую.

ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ И УСИЛЕНИЕ

Чем чувствительнее микрофон, тем выше он даст напряжение при некотором звуковом давлении. Микрофоны вообще дают очень слабый сигнал, но у некоторых он гораздо слабее, чем у других. Тихие микрофоны требуют более высокого уровня усиления, и если усилитель не справляется, то при выкручивании усиления на максимум появляются шумы и искажения.

Чувствительность обычно измеряется в милливольтах на паскаль (мВ/Па) или в децибелах (дБ). 2 мВ/Па соответствует -54 дБ, а 17,8 мВ/Па - это примерно -35 дБ. Конденсаторные и электретные микрофоны сравнительно громкие, обычно их чувствительность в районе  от -30 дБ до -40 дБ. Динамические микрофоны гораздо тише, их типичная чувствительность на уровне -50 дБ и ниже.

Некоторые числа для удобства:
3 дБ = 1,4 раза
6 дБ = 2 раза
10 дБ = 3 раза
14 дБ = 5 раз
20 дБ = 10 раз
52 дБ = 400 раз

То есть динамический микрофон с чувствительностью в -55 дБ в 10 раз тише конденсаторного с чувствительностью -35 дБ.

Микрофоны, особенно тихие динамические, нередко используются с предусилителями. Предварительно усиленный сигнал более устойчив к помехам, ведь с усилением сигнала усиливаются и помехи, а если сигнал уже усилен, скажем, на 20 дБ, то в дальнейшем его нужно меньше усиливать до нормального уровня. Если усилитель звуковой карты не справляется и засоряет сигнал значительным шумом при высоком уровне усиления, то предусилитель позволяет снизить уровень усиления, получив в итоге такой же по громкости сигнал, но лучшего качества. Для тихих динамических микрофонов выпускаются предусилители, работающие от фантомного питания 48 вольт, которое всё равно не нужно самому микрофону. Иногда их называют микрофонными активаторами или бустерами.

ПОДКЛЮЧЕНИЕ К КОМПЬЮТЕРУ

Микрофоны подключаются к компьютеру тремя способами: к USB-порту, ко встроенной звуковой карте или к внешней звуковой карте, которую также часто называют звуковым интерфейсом.

USB-микрофоны подключаются непосредственно к USB-порту. В них уже есть усилитель и преобразователь аналогового сигнала в цифровой. Эти микрофоны очень просты в использовании (буквально вставил и забыл), а цифровой сигнал не боится помех. Однако USB-микрофоны - это системы «всё в одном», в них невозможно улучшить звук отдельно поменяв микрофон, усилитель или аудиокодек. Вернее, возможно, но с помощью паяльника и прямых рук в ограниченных пределах.

Внешние звуковые карты более гибкие. Они вынесены за пределы системного блока подальше от помех, а в приличных моделях есть хорошие усилители и подача фантомного питания 48 вольт. Если нужно подключить конденсаторный микрофон к компьютеру, то это лучший способ. Обычно в серьёзных микрофонах и соответствующих внешних звуковых картах используются разъёмы XLR.

Главное достоинство встроенной звуковой карты в том, что она вообще существует. В современных «Реалтеках» как правило хорошие кодеки для бытовых задач, однако усилители откровенно мусорные. Например, для подключения динамического микрофона приходится выкручивать усиление почти до предела, а затем добавлять +20 дБ программного усиления. В результате сигнал замусорен шумом и без шумодава даже голосовое общение по интернету довольно неприятно. И даже с более чувствительными электретными микрофонами при меньшем уровне усиления сигнал всё равно грязный.

Ситуацию можно улучшить отдельным усилителем. И здесь нужно знать, куда именно подать усиленный сигнал. На материнских платах есть минимум два входа. Розовый вход  - микрофонный. На него подаётся фантомное питание 2,2 вольта, а сигнал идёт через встроенный усилитель. Голубой вход - линейный, он предназначен для уже усиленного до нормального уровня сигнала. На него не подаётся питание, а сигнал идёт сразу на кодек. Если усилитель даёт достаточно громкий сигнал, то его лучше подавать сразу на линейный вход, иначе к помехам внешнего усилителя прибавятся искажения встроенного усилителя.

Заметим, что микрофон даёт звук только по одному каналу, то есть моно. Стереозвук получается или подачей одинакового сигнала по двум каналам подходящей распайкой разъёма, или программно, например, встроенными средствами «Реалтека». Настоящий стереозвук даёт стереомикрофон или два одновременно включённых мономикрофона.

НАПРАВЛЕННОСТЬ И БЛИЗОСТЬ

Направленность - это зависимость чувствительности микрофона от направления звука. Всенаправленные микрофоны одинаково чувствительны к звукам со всех направлений. У двунаправленных микрофонов диаграмма направленности «восьмёркой», то есть они хорошо ловят звуки спереди и сзади, но звуки слева и справа приглушаются. Кардиоидные микрофоны чувствительны к звуку перед собой, но отсекают шумы сзади. Супер- и гиперкардиоидные микрофоны ещё более направлены, они лучше отсекают шумы с боков, но немного захватывают звук позади себя. Есть микрофоны с возможностью выбора направленности.

Микрофоны делятся на приёмники давления, приёмники градиента давления и комбинированные. Представим герметичный капсюль. В этом случае звуковые волны воздействуют на мембрану лишь с одной стороны независимо от направления, получается всенаправленный приёмник давления. Он реагирует на абсолютное изменение давления: если поднять давление воздуха, то мембрана вогнётся.

Открытый ленточный микрофон - приёмник градиента давления. Атмосферный воздух окружает ленту со всех сторон, поэтому если поднять его давление, то она не шелохнётся. Лента будет колебаться под воздействием не абсолютного давления, но его разности перед лентой и за ней. Получается диаграмма направленности «восьмёрка»: микрофон чутко улавливает звуки спереди и сзади.

Однонаправленные микрофоны (кардиоида, супер- и гиперкардиоиды) получаются совмещением этих принципов. Если источник звука находится перед приёмниками давления и градиента давления, то их мембраны вогнутся в одном направлении. Если  же источник звука находится за ними, то их мембраны вогнутся в противоположных направлениях. Если сложить ход мембран, то звук перед микрофонами усилится, а за ними ослабнет, так получается однонаправленный микрофон. На практике обходятся одним капсюлем, в котором проделывают отверстия сзади или сбоку. Разные диаграммы (кардиоида, супер- и гиперкардиоиды) получаются подбором отношения площади отверстий к площади мембраны. А если перекрыть отверстия, то можно превратить кардиоидный микрофон во всенаправленный. Это один из способов переключения диаграмм направленности.

Звук может быть по-разному записан не только в зависимости от направления, но и от расстояния от микрофона. Чем ближе источник звука к микрофону, тем более выражены низкие частоты, в частности, голос звучит более басовито. Это явление называется эффектом близости. У разных микрофонов он проявляется по-разному, у направленных в большей степени.

ДИАПАЗОН ЧАСТОТ, АЧХ И СОБСТВЕННЫЙ ШУМ

Каждый микрофон способен передать определённый диапазон частот. У хороших конденсаторных микрофонов частотный диапазон от 20 герц до 20 килогерц (это полный слышимый диапазон). У динамических катушечных микрофонов более тяжёлая мембрана, поэтому она хуже передаёт высокие частоты. Как следствие, частотный диапазон ограничивается 15 килогерцами. У советских ширпотребных динамических микрофонов диапазон частот был ещё ниже, например, от 80 герц до 12,5 килогерц.

Чувствительные конденсаторные и дорогие электретные микрофоны с большим диапазоном частот хорошо улавливают звук на расстоянии, естественно передают речь и могут дать эффект комнаты, заодно наловив шумов и эха. Динамические микрофоны из-за низкой чувствительности часто держат очень близко ко рту, поэтому они прибавляют немного баса и срезают верхние частоты, характерно подкрашивая звук и отсекая шумы. Наконец, старые микрофоны с узким диапазоном частот обрезают как верх, так и низ, оставляя средние частоты, в которых и находится человеческий голос. Получается сильное окрашивание звука под старину.

Амплитудно-частотная характеристика, сокращённо АЧХ, показывает чувствительность микрофона в зависимости от частоты звука. Если график АЧХ ровный, то микрофон передаёт звук относительно естественно и с минимальными искажениями. Во многих микрофонах специально усиливают одни частоты и ослабляют другие, например, для окраса голоса или записи определённых музыкальных инструментов. Часто указывают отклонение в децибелах, то есть на сколько децибел отклонился график АЧХ в данном диапазоне частот.

Наконец, микрофон характеризуется уровнем собственного шума, то есть шума, который микрофон даёт даже при полном отсутствии окружающих звуков. Капсюли конденсаторных и электретных микрофонов обязательно имеют хотя бы минимальную обвязку для предусиления и согласования сопротивлений, которая неизбежно прибавляет шум к полезному сигналу.

У динамических микрофонов с катушечным капсюлем, который напрямую подключён к разъёму, тоже есть есть собственный шум. Это так называемый тепловой шум, связанный с хаотичным движением электронов в катушке. Конечно, он очень слабый, однако сигнал динамического микрофона требует значительного усиления, поэтому и тепловой шум тоже многократно усиливается. Обычно у дорогих конденсаторных микрофонов более качественная обвязка капсюля, дающая меньший шум. Однако у динамических микрофонов шум зависит от сопротивления катушки и чувствительности: чем выше чувствительность, тем меньше придётся усиливать шум. Поэтому у дешёвого динамического микрофона со сравнительно высокой чувствительностью будет меньше шум, чем у очень дорогого с низкой чувствительностью.