Mikrofon
przetwornik elektroakustyczny służący do przetwarzania fal dźwiękowych na impulsy elektryczne. Słowo mikrofon pojawiło się w słownikach po raz pierwszy pod koniec XVII wieku, oznaczając "instrument zwiększający głośność dźwięku", czyli trąbkę przystawianą do ucha. Pierwsze mikrofony kwasowe (połaczona z membraną iglica poruszała się w rozcieńczonym kwasie) pojawiły się w latach siedemdziesiątych XIX wieku za sprawą Greya i Bella i zostały wykorzystane w początkach telefonii.W tradycyjnych mikrofonach dynamicznych fale dźwiękowe powodują drgania cienkiej elastycznej membrany wraz z cewką, która jest do niej umocowana. Drgania cewki, która umieszczona jest między biegunami magnesu, wzbudzają w niej przemienny prąd elektryczny o częstotliwości odpowiadającej częstości drgań fal dźwiękowych. W wyniku przetwarzania otrzymuje się z mikrofonu przebieg elektryczny – sygnał foniczny w postaci siły elektromotorycznej E, napięcia wyjściowego U oraz prądu I odpowiadającego przebiegowi akustycznemu.
Rodzaje mikrofonów
Ze względu na sposób przetwarzania drgań membrany na sygnał foniczny mikrofony dzielimy na: stykowe (węglowe)
piezoelektrycznedynamiczne (magnetoelektryczne)
wstęgoweopornościowe
pojemnościowe (elektrostatyczne)
pojemnościowe
elektretowelaserowe
Mikrofony stykowe (węglowe)
Mikrofon węglowy został opracowany przez Edisona i powstał jako rozwinięcie mikrofonu kwasowego, w którym kwas zastąpiono granulkami węgla, zmieniającymi swą rezystancję pod wpływem ciśnienia wywieranego przez membranę. Mikrofony stykowe stosuje się przeważnie w telefonach. Ich zakres przetwarzania jest wąski, węższy niż widmo mowy ludzkiej, a zniekształcenia są duże w porównaniu z innymi mikrofonami, jednakże w tego typu rozwiązaniach wady te nie mają większego znaczenia. Mikrofony stykowe mają jednakowoż wiele zalet: ich konstrukcja jest bardzo prosta (przez co są praktycznie bezawaryjne), posiadają dużą skuteczność, są trwałe i tanie. Przepływ prądu jest tu modulowany poprzez zmianę rezystancji elektrycznej spowodowanej poruszaniem się części mechanicznych mikrofonu. Jest to mikrofon typu podłużnego, w którym komorę tworzy płaska nieruchoma elektroda węglowa, odizolowana od ścianki pudełka, pierścień filcowy oraz membrana węglowa oparta na krawędzi pudełka i dociśnięta do niego przykrywka z otworami. Pierścień filcowy służy do tłumienia drgań własnych membrany. Wkładka jest umieszczona w obsadzie zwanej mikrotelefonem i przykryta tzw. mównikiem, którego zadaniem jest skierowanie energii akustycznej na membranę mikrofonu. Prąd elektryczny jest doprowadzony do wkładki za pośrednictwem sprężyn stykowych w mikrotelefonie i płynie przez pudełko, membranę i proszek do elektrody nieruchomej. Zmiany rezystancji wkładki są proporcjonalne do zmiany zgniotu proszku, czyli do wychylania się membrany – przez to dla zachowania stałej skuteczności mikrofonu wychylenia membrany muszą być jednakowe w całym zakresie przetwarzania. Skuteczność mikrofonu zmienia się w bardzo szerokich granicach – znacznie wzrasta przy częstotliwościach drgań własnych membrany.
Mikrofony magnetoelektryczne (dynamiczne)
Wynalazcami mikrofonu dynamicznego są W. C. Wenete i A. C. Thuras z firmy Bell Labs, którzy opatentowali swój pomysł w 1931 roku. Wewnątrz mikrofonu magnetoelektrycznego, pomiędzy biegunami magnesu stałego, znajduje się cewka przymocowana do membrany. Fale dźwiękowe, wprawiając membranę w drgania, powodują poruszanie się cewki w polu magnesu i indukują w niej prąd. Działają one dzięki indukowaniu się siły elektromotorycznej pod wpływem względnego ruchu źródła pola magnetycznego i przewodu. Dochodzi do tego zjawiska, gdy przewód będzie się poruszał w stałym polu magnetycznym, lub – gdy przewód będzie nieruchomy, a zmianie będzie podlegał strumień magnetyczny – przechodzący przez ten przewód. Jeśli wykorzystany jest pierwszy przypadek to takie mikrofony nazywa się cewkowymi i wstęgowymi:
Mikrofony wstęgowe
Odbiornik energii akustycznej stanowi tutaj cienka wstęga aluminiowa, zawieszona między nabiegunnikami magnesu. Tylko jedna strona wstęgi jest otwarta i wystawiona na działanie fal akustycznych. Druga strona jest osłonięta szczelną obudową, zakończoną długą rurką, zwiniętą spiralnie w pudle stanowiącym podstawę mikrofonu. Wstęga mikrofonu jest wykonana z paska blachy aluminiowej (zwykle o grubości ok. 5 μm, szerokości ok. 5 mm i długości ok. 6 cm), pofałdowanego na całej długości, w celu nadania większej giętkości w kierunku ruchu i sztywnienia w kierunku poprzecznym dla zabezpieczenia przed skręcaniem. Ze względu na dużą wrażliwość, wstęga jest podatna na wszelki ruchy powietrza i przy silniejszym podmuchu powietrza może ulec trwałemu odkształceniu, a nawet zerwaniu. Dla ochrony przed tym, mikrofon osłania się siatka drucianą.
Mikrofony cewkowe
Głównymi elementami tego typu mikrofonów są nabiegunnik będący źródłem stałego pola magnetycznego oraz membrana uformowana do postaci kulistej czaszy (często specjalnie pofałdowana, aby zwiększyć obszar podatności), do której z kolei przymocowana jest cewka nawinięta metodą bezszkieletową. Ruch membrany pod wpływem fali mechanicznej powoduje ruch cewki w polu magnetycznym nabiegunnika, co powoduje powstanie w obszarze cewki sił elektromotorycznych, które to z kolei powodują przepływ prądu. Mikrofony magnetoelektryczne cechuje dobra kierunkowość i skuteczność, uwydatnienie mniejszych częstotliwości akustycznych i rezystancja w granicach kilkuset Ω.
Mikrofony pojemnościowe
Mikrofon pojemnościowy jest wykorzystywany głównie w celach profesjonalnych. Składa się on z dwóch elektrod podłączonych do źródła napięcia stałego - zwykle 48V - tzw. phantom. (Tak duża wartość tego napięcia jest niezbędna do zapewnienia dużej czułości.) Jedna elektroda jest nieruchoma, natomiast druga wystawiona jest na działanie fal dźwiękowych, które zderzając się z ruchomą elektrodą powodują jej drgania. Ponieważ elektrody mikrofonu pełnią rolę okładek kondensatora, to zmiana odległości pomiędzy elektrodami powoduje zmianę pojemności takiego "kondensatora", co z kolei powoduje powstanie składowej zmiennej w stałym napięciu zasilającym kondensator. Jej częstotliwość jest równa częstotliwości padającej fali dźwiękowej. Z uwagi na wysoką impedancję mikrofon musi być podłączony do odbiornika sygnału przy pomocy specjalnego przedwzmacniacza umieszczonego bardzo blisko wkładki mikrofonowej.
Mikrofony piezoelektryczne
Mikrofony piezoelektryczne pod względem elektrycznym są kondensatorami, przetwarzają sygnał akustyczny w sygnał napięciowy, mają dużą wrażliwość na wilgoć i zmiany temperatury. Zbyt duża temperatura powoduje trwałe zmiany w ich działaniu. Ponadto wykazują bardzo dużą impedancję wewnętrzną o charakterze pojemnościowym, co utrudnia łączenie ich długimi przewodami i obciążenie małymi impedancjami. Szeroko natomiast stosowane są jako mikrofony, a ściślej rzecz biorąc – przetworniki, w instrumentach akustycznych. Szczególnie wiernie odtwarzają wysokie tony i są również stosowane jako czujniki ultradźwięków.