ОПРЕДЕЛЕНИЯ. Чувствительность — отношение напряжения и на выходе микрофона к звуковому давлению р, действующему на микрофон

Микрофоны — это преобразователи акустических колебаний в электрические. Большинство микрофонов является преобразователями акустической энергии в электрическую. Есть микрофоны, основанные на другом принципе — релейном. В них под действием акустических колебаний происходит преобразование энергии постоянного тока в энергию переменного тока. Рассмотрим технические показатели микрофонов.

Чувствительность — отношение напряжения и на выходе микрофона к звуковому давлению р, действующему на микрофон:

E = U/p. (5.1)

Чувствительность определяют в зависимости от задания или по напряжению холостого хода, или по напряжению на номинальной нагрузке. За номинальную нагрузку обычно принимают модуль внутреннего сопротивления микрофона на частоте 1000 Гц.

Внутреннее сопротивление микрофонa Z_i. Для ряда микрофонов оно активно и практически не зависит от частоты. Если внутреннее сопротивление зависит от частоты, в справочниках приводят или среднее значение по частотному диапазону или модуль на частоте 1000 Гц.

Чувствительность по давлению — чувствительность при звуковом давлении, действующем только на поверхность звуковоспринимающего элемента и распределенным по нему равномерно.

Чувствительность по свободному полю — это чувствительность при воздействии на микрофон звукового давления в свободном поле Р _п, когда напряжение на выходе микрофона относят к звуковому давлению в точке поля до размещения в ней микрофона:

Е _п = U/р _п.

Свободным полем называют область звукового поля, в которой влияние отражающих поверхностей пренебрежимо мало.

Чувствительность по диффузному полю — чувствительность при воздействии на микрофон звукового давления в диффузном поле Р _диф, причем напряжение на выходе, микрофона относят к звуковому давлению в точке поля до размещения в ней микрофона:

Е _диф= U/p _диф.

Диффузным полем называют область звукового поля, в каждой точке которого плотность звуковой энергии и поток акустической энергии на единицу площади одинаковы во всех направлениях.

Чувствительность микрофона зависит от частоты, поэтому введено понятие средней чувствительности—среднеквадратичное значение в номинальном диапазоне частот, причем усредняют чувствительность, измеренную на частотах, распределенных равномерно в логарифмическом масштабе.

Уровень чувствительности — чувствительность, выраженная в децибелах относительно величины 1 В/Па.

Стандартный уровень чувствительности — выраженное в децибелах отношение напряжения U _ln, развиваемого на номинальном сопротивлении нагрузки R _ном при звуковом давлении 1 Па, к напряжению, соответствующему мощности Р _о=1 мВт, т. е. уровень мощности, отдаваемой микрофоном в номинальную нагрузку при р =1 Па,

Частотная характеристика — зависимость уровня чувствительности от частоты. Ее неравномерность определяют в номинальном частотном диапазоне для данного типа микрофона.

Характеристика направленности — зависимость чувствительности микрофона в свободном поле от угла θ между рабочей осью микрофона и направлением на источник звука. Эту характеристику определяют или на ряде частот, или для полосы частот. Обычно приводят нормированную характеристику направленности, т.е. зависимость отношения чувствительности Е _.

Рабочей осью микрофона называют направление, по которому микрофон имеет наибольшую чувствительность. Эта чувствительность называется осевой. Для большинства микрофонов рабочая ось совпадает с геометрической. В там случае, когда этого совпадения нет, рабочую ось указывают в описании.

Большинство микрофонов имеет осевую симметрию, поэтому характеристика направленности для них одинакова во всех плоскостях, проходящих через ось микрофона. По характеристике направленности микрофоны делятся на ненаправленные, односторонне направленные, остро односторонне направленные, двунаправленные и остронаправленные. Графическое представление характеристик направленности часто дают в полярных координатах (рис. 5.1). Такой график называют диаграммой направленности. В ряде случаев радиус-вектор выражают в децибелах, т. е. R _[дб] (θ) = 20 lgR (θ). Очевидно, что из-за направленности микрофона его чувствительность по диффузному полю, т. е. чувствительность, определенная при приходе звуковых волн к микрофону под всевозможными углами, будет меньше осевой чувствительности. Для учета величины этого уменьшения введен коэффициент направленности — отношение квадрата осевой чувствительности микрофона в свободном поле Е ²_0С к среднему из квадратов чувствительности по всем радиальным направлениям E ²_ДИФ, т. е.

(5.5)

Его определяют на ряде частот или для полосы частот.

Перепад чувствительности «фронт/тыл» — отношение чувствительности микрофона Е _о.с. (в направлении оси) к чувствительности Е_{180 .} (под углом 180° к его оси). Обычно его определяют в децибелах:

где N ₁₈₀—стандартный уровень чувствительности микрофона, определенный под углом 180° к оси.

Большой интерес для практики представляет еще один показатель микрофона- индекс «фронт/тыл» Q _ф/т. Под ним подразумевают разность между уровнями электрической мощности, развиваемой микрофоном на нагрузке при раздельном воздействии на него диффузного поля с фронтальной и тыльной полусфер, при условии равенства звуковых давлений, действующих с фронта и тыла микрофона:

Этот индекс показывает, насколько уровень, развиваемый микрофоном от сигнала, поступающего с фронтальной полусферы (например, от оркестра), будет выше уровня, развиваемого микрофоном от действия помех, приходящих с тыльной полусферы (например, от шумов публики), при условии, что уровни сигнала и помех будут одинаковыми. Иными словами, этот индекс показывает величину дискриминации шума по отношению к сигналу.

Уровень собственного шума. Даже в отсутствии какого-либо акустического сигнала около микрофона напряжение на его выходе не равно нулю. Наличие напряжения является следствием флуктуации частиц в окружающей среде, а также тепловых шумов сопротивлений в электрической части микрофона.

Уровень собственного шума микрофона, приведенный к акустическому входу, определяют как уровень эквивалентного звукового давления р _ш, при воздействии которого на микрофон получалось бы выходное напряжение, равное выходному напряжению микрофона U _ш развиваемому им в отсутствии звуковых колебаний.

Чувствительность звеньев микрофона. Чувствительность микрофона можно представить как произведение чувствительностей отдельных звеньев, входящих в него.

Для большинства микрофонов осевую чувствительность можно представить в следующем виде:

где F/p — акустическая чувствительность; v/F =1/ Z _M — механическая чувствительность;

E / v = K _cв—коэффициент электромеханической связи; v / E = R _H/| R _H+ Zi | — электрическая (нагрузочная) характеристика; Z _M—механическое сопротивление подвижной системы микрофона (модуль); R _H — сопротивление нагрузки; Z_i — внутреннее сопротивление микрофона. Обычно подбирают чувствительности звеньев так, чтобы общая чувствительность микрофона имела меньшую зависимость от частоты, для чего используют метод взаимной коррекции частотных характеристик отдельных звеньев, входящих в микрофон.

Микрофоны по принципу электромеханического преобразования делятся на электродинамические, электростатические, электромагнитные и релейные. Электродинамические микрофоны по конструкции механической системы делятся на катушечные и ленточные. Электростатические делятся на конденсаторные, в том числе и электретные, и пьезомикрофоны. Электромагнитные — на односторонние и дифференциальные. Релейные — на угольные и транзисторные.