Microfoane si preamplificatoare de microfon

Ele sunt singurele aparate electroacustice capabile sa capteze oscilatiile sonore naturale, din care motiv sunt denumite si surse de semnal primare.

Microfonul este un traductor din acustic in electric, sau un senzor care converteste sunetul din spatiul inconjurator in semnal electric. In 1876, Emile Berliner a inventat primul microfon folosit ca transmitator de voce pentru telefon.

Microfoanele se pot clasifica dupa mai multe criterii : din punct de vedere al principiului constructiv dupa principiul de functionare dupa tipul constructiv dupa caracteristicile de directivitate dupa dependenta de iesire

Din punct de vedere al principiului constructiv intalnim doua tipuri de microfoane. Microfoanele cu carbune utilizate in telefonie, care functioneaza pe principiul comandarii unei surse de curent continuu si microfoanele utilizate in electrostatica, functionand pe principiul transformarii energiei .

Dupa principiul de functionare intalnim: microfoane cu rezistenta variabila, electrodinamice, electromagnetice si piezoelectrice.Acestea la randul lor se pot clasifica din punct de vedere constructiv :

Microfoane cu rezistenta variabila microfoane cu carbune

Microfoane electrodinamice microfoane cu bobina mobila microfoane cu banda

Microfoane electroacustice microfoane condensator microfoane cu electret

Microfoane piezoelectrice microfoane cu cristal

Capsule de proiectare şi directivitate

Elementele interioare ale unui microfon sunt sursa principala de diferente in directivitate. Un microfon de presiune utilizează o membrană între un volum fix interne de aer şi a mediulu, si raspunde uniform la presiune din toate directiile, deci se spune ca este omnidirectional. Alte elemente, cum ar fi forma exterioară a microfonului şi dispozitive externe, cum ar fi tuburi de interferenţă, pot modifica raspunsul directional al microfonului.

Modelele polare ale unui microfonUn model directional sau polar al unui microfon indica cat de sensibil este la sunete care ajung la diferite unghiuri în jurul axei sale centrale. Modele polare care vor fi prezentate mai jos reprezintă locul geometric al punctelor care produc acelaşi nivel al semnalului de ieşire in microfon, in cazul în care un anumit nivel de presiune a sunetului este generat din acel punct. Cum este orientat corpul fizic al microfonului in raport cu diagramele depinde de design-ul microfonului.

Modelele polare ale microfonului sunt : Omnidirectional Unidirectional Bi-directional Cardioid :

Subcardioid Supercardioid Hypercardioid

Shotgun

OmnidirectionalRaspunsul unui microfon omnidirectional se considera a fi o sfera perfecta

in trei dimensiuni. In lumea reala , nu este cazul. Modelul polar al unui microfon omnidirectional este o functie de frecventa. Corpul microfonului nu este infinit de mic , deci in consecinta tinde sa ii stea in cale cu privire la sunetele ca sosesc din spate determinand o usoara aplatizare a raspunsului polar.

Aceasta aplatizare creste pana cand diametrul microfonului( presupunand ca microfonul este cilindric) atinge lungimea de unda a frecventei in cauza. Microfoanele omnidirectionale, spre deosebire de cardioide, nu folosesc cavităţi de rezonanţă ca întârzieri si pot fi considerate cele mai pure microfoane in termeni de coloratie scazuta.

UnidirectionalUn microfon unidirectional este sensibil la sunete numai dintr-o singura

directie. Intensitatea sunetului este reprezentata grafic radial pentru unghiuri de la 0 la 360°.

CardioidCel mai comun microfon unidirectional este microfonul cardioid deoarece

modelul sau de sensibilitate este in forma de inima.Un microfon hyper-cardioid este similar, dar cu o suprafaţă mai strictă de sensibilitate în faţă şi un lob mai mic de sensibilitate spate. Un microfon is super-cardioid este similar cu un hyper-cardioid cu exceptia faptului ca exista mai putina sensibilitate in spate.

Bi-directionalMicrofoanele bidirectionale primesc semnal atat din fata cat si din spatele

elementului.

Bi-directional

Shotgun

Microfoanele “Shotgun” sunt cele mai directionale. Ele au lobi mici de sensibilitate in stanga, dreapta si spate, dar sunt semnificativ mai putin sensibile la partea din spate si respectiv stanga, dreapta decat alte microfoane directionale. Acest lucru rezulta din plasarea elemntului la finalul unui tub cu sloturi taiat de-a lungul laturilor, alunarea wave eliminand o mare parte din axa de off sunet. Datorita ingustarii zonei de sensibilate a acestora, acestea sunt folosite in televiziune, stadioane sau la inregistrari pe teren.

Shotgun

Caracteristici electrice si acustice ale microfoanelorCele mai importante caracteristici electrice care influenteaza esential

calitatea transmisiunilor sonore sunt: sensibilitatea, caracteristica de frecventa, distorsiunile, zgomotul propriu si impedanta de iesire.

DirectivitateaPentru a se putea analiza in mod unitar transformarea de catre diferite

microfoane a oscilatiilor acustice in semnale electrice este util a se stabili o caracteristica, prin care sa se exprime sensibilitatea in functie de frecventa si directia din spatiu a oscilatiilor acustice.Caracteristica se numeste caracteristica de directivitate si este trasata grafic prin diagrame de directivitate.

Caracteristicile de directivitate sunt de trei feluri : de forma circulara de forma cardiodei de forma cifrei opt sau dublu sferica

SensibilitateaEste calitatea microfonului de a transforma cat mai eficient energia acustica

in energie electrica.Ea se exprima cantitativ prin raportul dintre valoarea tensiunii efective U, obtinuta la bornele microfonului si valoare presiunii acustice P ce se exercita asupra microfonului

Caracteristica de frecventa sau raspunsul microfonului reprezinta nivelul tensiunii la bornele microfonului in functie de frecventa, la aplicarea unei oscilatii acustice de intensitate constanta.Ea se prezinta grafic, in abscisa avand frecventa(scara este de regula logaritmica), iar in ordonata nivelul tensiunii la bornele microfonului(in general exprimata in dB).

Microfonul cu electret

Electretul este un strat subtire izolant, care pe ambele fete este incarcat cu sarcini electrice de semne opuse. Electretul se realizeaza in felul urmator: izolantul topit este supus unui camp electrostatic foarte puternic sub actiunea caruia se produce polarizarea moleculelor. Se lasa apoi folia izolanta sa se raceasca in acest camp. In acest fel se obtine o folie incarcata cu sarcini electrice de semne opuse, pe cele doua fete, creandu-se intre acestea un camp electrostatic, asemanator campului magnetic permanent. Functionarea si constructia microfonului cu electret este asemanatoare microfonului condensator. Folia de electret (care inlocuieste folia metalizata de la microfonul condensator) se metalizeaza pe una din fete si va constitui armatura mobila a condensatorului. Armatura fixa, rigida, se realizeaza din metal si are o forma constructiva asemanatoare cu cea de la armatura fixa a microfonului condensator. Peste armatura fixa se aseaza fata nemetalizata (izolata) a foliei electretului

Intre folia electret si armatura fixa exista un strat de aer de ordinul milimetrilor. Volumul aerului inchis de folii se mareste prin practicarea unor orificii de mici dimensiuni in armatura fixa. Odata cu cresterea volumului de aer se mareste si elasticitatea membranei microfonului si implicit si sensibilitatea lui.

Deoarece grosimea foliei de electret este foarte mica, capacitatea electrica este mai mare ca in cazul microfonului clasic cu condensator (capacitatea creste de aproximativ trei ori). De asemenea scade si valoarea rezistentei interne usurandu-se

problema realizarii preamplificatoarelor. Existenta campului electric in folia de electret face inutila tensiunea mare de polarizare, necesara microfoanelor condensator.Microfoanele cu electret de calitate medie au caracteristica de frecventa cuprinsa intre 20…20000Hz, cu abatere de ±3dB. Impedantele uzuale sunt: 50O, 250O, 600O si 1000O.Raportul semnal/zgomot la constructiile mai simple este 45…55dB, iar tipurile de calitate 60…65dB.Dimensiunile reduse a microfonului cu electret folosite la casetofoane au determinat constructorul sa foloseasca o folie de electret cu suprafata mica 1…1,5cm².Prin reducerea suprafetei membranei, microfonul este mai putin sensibil la frecvente joase, asigurand o liniaritate buna a caracteristicii de frecventa numai pentru frecventele mai mari de 100…150Hz. In felul acesta s-au putut elimina zgomotele datorate vibratiilor mecanice din continutul semnalului util.Microfoanele cu electret de buna calitate au suprafata membranei de 2…5cm². Sensibilitatea in cazul acestora este de 0,5…1mV/µbar. Amplificarea tensiunii de valoare mica ce provine de la capsula microfonului cu electret se realizeaza cu preamplificatoare moderne prevazute cu tranzistoare cu efect de camp(TEC), cu circuite discrete sau cu circuite integrate. Aceste preamplificatoare de regula sunt incorporate in microfon.

Preamplificatoare cu electret

In schema de mai sus se prezinta un exemplu tipic de preamplificator pentru microfon cu electret, care foloseste un FET într-o sursă comună de configurare. Cele doua terminale ale capsulei de electret contin un FET ce trebuie alimentat din exterior cu o sursa de alimentare V+. Rezistorul stabileste castigul si impedanta. Semnalul audio apare la iesire dupa un condensator DC de blocare.

Schema de mai jos descrie un preamplificator de microfon compact, alimentat de la baterie, la care se poate conecta o capsule de microfon cu electret. La acest

preamplificator pot fi totusi conectate si microfoane dinamice cu rezistenta scazuta.Alimentarea se face cu o baterie de 9 V, care are o durata de viata destul de lunga, multumita consumului redus al montajului de 1.5mA.Amplificarea depinde de raportul R7/R3; ea este in orice caz mai mare de 100. Drept capsula de microfon a fost ales tipul LBC 1055/00 Philips.La acest preamplificator pot fi conectate si obisnuitele microfoane dinamice. In acest caz,R8, C3 si eventual R1 sunt de prisos. Impedanta de intrare este neaparat egala cu impedanta formata din R2, R5 si R1 puse in paralel.

Exemplu de microfon cu electret : model Sony ECMMS907

Specificatii tehnice :

Manufacturer : Sony CorporationManufacturer Part Number : ECM-MS907Manufacturer Website Address : www.sony.comBrand Name : SonyProduct Name : ECM-MS907 Connectivity Technology : Cable 4.92 ftSound ModeStereo Frequency Response : 100Hz to 15kHzMicrophone Technology : ElectretMicrophone Type : DetachableMicrophone Sensitivity : 56 dB 1kHz Sound Pressure Level : 110 dB Dimensions : 5" Height x 1.14" WidthWeight : 3.88 oz