1.8. Ленточные микрофоны с двусторонней направленностью

1.8. Ленточные микрофоны с двусторонней направленностью
1.8.1. Устройство и эквивалентная схема
В ленточном электродинамическом микрофоне (ЛМ), конструкция
которого схематически показана на рис. 1.36 в качестве подвижного
элемента используется гофрированная по концам ленточка 1 из фольги
(обычно, алюминиевой) толщиной Δ = 2-3 мкм, шириной b =1,5-2 мм и
длиной l= 20-40 мм, которую помещают в воздушный зазор МС.
Конструктивно МС состоит из вертикально расположенного магнита 2 и
полюсных наконечников 3, что диктуется необходимостью симметрии в
расположении элементов конструкции симметричного приемника разности
давлений (см. рис.1.5) относительно подвижного элемента – ленточки.
Помимо функции приемного акустического элемента, ленточка
выполняет роль провода динамического преобразователя, колеблющегося в
магнитном поле. Вследствие малой длины ленточки ее электрическое
сопротивление Rл крайне мало (обычно порядка 0,2 – 0,5 Ом). Величина
напряжения, снимаемого с ее концов, также мала (порядка 10 – 50 мкВ/Па),
что объясняется малостью коэффициента электромеханической связи Bl.
Такое напряжение соизмеримо с помехами, наводимыми на микрофонные
линии. Для увеличения выходного полезного сигнала в корпусе ЛМ всегда
устанавливается повышающий трансформатор (не показан на рисунке),
благодаря чему чувствительность повышается до 1-2 мВ/Па, выходное
сопротивление при этом возрастает до 200- 600 Ом. Во избежание потерь
полезного сигнала, ввиду малого электрического сопротивления ленточки,
большое значение имеет обеспечение надежности и малого сопротивления
контактов 4. По этой причине контакты, с которых снимается ЭДС,
индуцируемая в ленточке при ее движении, обычно покрывают тонким слоем
серебра.
Основным преимуществом ЛМ перед катушечными является очень
малая величина переходных искажений (вследствие легкости ленточки),
субъективно оцениваемая, как мягкость и естественность передачи тембра
инструментов среднего и высокого регистров (струнных, тарелок и др.).
Вместе с тем у ЛМ есть и ряд эксплуатационных недостатков: большие
габариты и масса МФ, обусловленные большими размерами постоянного
магнита и трансформатора; малая устойчивость к ударным, вибрационным и
ветровым помехам, приводящим иногда к выходу ленточки из строя.
Изготовление ЛМ связано с определенными технологическими сложностями,
приводящими к сравнительно высокой стоимости производства.
На рис. 1.36 приведена конструкция (а), схема образования разностной
силы (б) и эквивалентная схема (в) симметричного ЛМ, где приняты
следующие обозначения: m1, c1 – эквивалентная масса и гибкость ленточки; r1
≈ r вн – активное сопротивление ленточки, обусловленное, в основном,
потерями на электрической стороне; m2 , r2 – масса и трение воздуха в
зазорах между ленточкой
и полюсными наконечниками; mc, rc – со-
колеблющаяся масса воздуха и сопротивление излучения с двух сторон
ленточки.
Как видно из схемы, цепь зазора m2 r2 шунтирует ленточку, что
приводит к уменьшению скорости ее колебаний, поэтому принимают меры к
уменьшению этого зазора, не допуская вместе с тем касания ленточкой
полюсных наконечников. Гибкости cв, а также параметры
mc, rc
незначительно влияют на ХН и ЧХЧ только в области ВЧ, поэтому из
дальнейшего анализа их можно исключить. Тогда эквивалентная схема
рис. 1.36,в сведется к рис.1.5,б.
1.8.2. Системный анализ и основные управляющие элементы
В соответствии с функционально-системными представлениями, (см.
параграфы 1.1 – 1.2) можем последовательность преобразований сигнала в
ЛМ представить в виде следующей цепочки подсистем:
- акустическая подсистема F/p = D∙S1∙ω∙τd∙cosθ; где τd =d/v, S1 –
площадь ленточки, D – коэффициент дифракции;
- механическая подсистема
ξ1 1

F z1 ,
2 2
2 2

1 
B
l
B
l
 , r1  rвн 
z1  r1  j  ωm1 

,
ωc1 
R л  Rн n 2 R л  Rн

где n – коэффициент трансформации электрического трансформатора
ЛМ;
- электромеханическая подсистема, или КЭМС e ξ =Bl ; где l –длина
ленточки;
- электрическая подсистема, или коэффициент передачи цепи
K = u/e = nŔн /(Rл +Ŕн), где Ŕн =Rн /n2.
(1.115)
Подставляя приведенные характеристики подсистем в общую формулу
(1.1), получим для НЧ и СЧ следующее выражение для ЧПХЧ
M  DS1 jωτd cosθ
nRн
Bl

z1 Rл  Rн .
(1.116)
Частотную
зависимость
чувствительности,
обусловленную
характеристикой антенны
ω∙τd, здесь можно скомпенсировать только
соответствующей частотной зависимостью механического сопротивления z1.
Очевидно, требуемую зависимость можно получить, когда ленточка
управляется своей массой, т.е. z1 = jωm1 , что реализуется в частотной области
выше резонансной частоты ленточки, т.е. ω>ω11 = 1 m1c1 ,
M  S1 d cos
nRн
Bl

m1 Rл  Rн .
(1.117)
Помимо реализации условия ω>ω11 должно быть выполнено
ограничение по величине активного сопротивления, т.е. r вн ≤ ω11· m1 . Так как
массу ленточки увеличивать нежелательно из-за понижения при этом
чувствительности, то для понижения ω11 увеличивают гибкость c1 путем
гофрировки концов ленточки. Второе требование можно обеспечить путем
подбора величины коэффициента трансформации n (связь величины r вн и n
см. выше). В целом в ЛМ удается получить в широком диапазоне частот
довольно ровную и плавную ЧХЧ и хорошую «восьмерку» ХН (с перепадом
20-30 дБ).
Глава 2. Теория и расчет конденсаторных, комбинированных
и остронаправленных микрофонов. Шумы и помехи
2.1. Ненаправленные конденсаторные микрофоны
Общие сведения
Микрофоны конденсаторные (МК или КМ) реализуются на базе
электростатических преобразователей. По своим электроакустическим
параметрам КМ обладают целым рядом преимуществ по сравнению с
электродинамическими и другими типами микрофонов. Достоинствами
КМ являются:
- гладкая частотная характеристика чувствительности (ЧХЧ) с малой
неравномерностью в широкой полосе частот при высоком уровне
чувствительности;
- малые переходные искажения, т.е. способность верно
воспроизводить звуки с крутым фронтом, импульсные сигналы. Так
длительность нарастания импульса в КМ составляет единицы мкс, а в
динамических катушечных микрофонах на порядок больше – десятки мкс;
- широкий динамический диапазон передаваемого сигнала, т.е. малые
нелинейные искажения при больших уровнях звукового давления и малый
уровень собственного шума.
Неотъемлемой
частью
любого
КМ,
кроме
собственно
преобразователя, является электрическая схема, состоящая либо из
низкочастотного
(НЧ-схема)
усилительно-питающего
устройства,
служащая для согласования большого емкостного электрического
импеданса преобразователя с относительно низкоомным входным
сопротивлением последующего за микрофоном усилителя, либо из
высокочастотного усилительно-преобразующего устройства (ВЧ-схема).
Последнее в настоящее время применяется существенно реже, поэтому в
дальнейшем изложении принципов работы различных типов КМ, мы
будем иметь в виду микрофоны, выполненные по НЧ-схеме.
В начале КМ (первый появился в 1917г.) были чрезвычайно сложны в
изготовлении
и
настройке,
дороги,
поэтому
использовались
преимущественно для акустических измерений, студийной звукозаписи, а
также в радиовещании. В 60-х годах прошлого столетия в усилителях
(точнее предусилителях) КМ стали широко применяться полевые
транзисторы, а затем интегральные схемы на их основе. С начала 70-х
годов распространение получили электретные конденсаторные микрофоны
(МКЭ), где в качестве мембраны была использована электретная
полимерная пленка, металлизированная с одной стороны. В это же время
появляются малогабаритные и достаточно надежные источники
низковольтного питания. Применение этих трех новых технологий в
совокупности позволило разработать и начать промышленный выпуск
целого ряда новых моделей микрофонов конденсаторных электретных
(МКЭ). Это же позволило существенно удешевить и упростить
производство, а ряд (в основном ненаправленных) микрофонов, сильно
миниатюризировать. Электретные КМ по удобству эксплуатации
незначительно уступают динамическим катушечным микрофонам, т.к.
миниатюризация предусилителя и появление малогабаритных источников
питания позволило конструктивно встроить оба эти элемента в корпус
микрофона. Все это привело к широкому применению МКЭ в бытовой
аппаратуре, а затем и в аппаратуре мобильной связи.
Устройство и эквивалентная схема
Как уже отмечалось, ненаправленные конденсаторные микрофоны
(НКМ) реализуются на базе приемников давления и электростатических
преобразователей, работающих в режиме генератора, как с внешней, так и
с внутренней (электретной) поляризацией. Для краткости первый тип
преобразователей будем называть электростатическим, второй –
электретным. В настоящее время ненаправленный капсюль КМ, как
массового, так и профессионального назначения, значительно чаще
реализуется с помощью электретного преобразователя.
В простейшей реализации (рис. 2.1) такой микрофон состоит из
мембраны 1, представляющей собой натянутую полимерную пленку
толщиной Δ с внешним металлическим слоем 2, нанесенным вакуумным
напылением. Такая мембрана приклеивается электропроводным клеем к
металлическому кольцу 3. Мембрана выполняет, прежде всего, функцию
подвижного электрода, т.е. совершает колебания при воздействии на нее
звукового давления. Кроме этой функции в НКМ массового производства,
мембрана часто изготовляется из электретного материала на основе
фторопласта и является внутренним источником поляризации капсюля.
Роль второй неподвижной обкладки конденсатора выполняет
неподвижный электрод 4 (НЭ), обычно конструктивно выполняемый либо
в виде плоской металлической пластины с отверстиями (рис. 2.1, а), либо
методом горячего прессования из композиционного диэлектрика,
металлизированного по поверхности. Между мембраной и НЭ с помощью
кольцевых изоляционных прокладок 5 образуется воздушный зазор 6,
толщина которого δ (рис.2.1,б) обычно бывает 20 – 40 мкМ. Для сравнения
отметим, что толщина не электретной мембраны Δ (металл или лавсан),
составляет обычно 3–6 мкМ, электретной 10–12 мкМ. Изолятор 7
электрически разделяет НЭ и металлический корпус микрофона 8, с
которым контактирует мембрана 1. Углубления за НЭ
создают
внутренний объем воздуха 9. Предварительный усилитель, служащий для
согласования большого внутреннего емкостного сопротивления
преобразователя с относительно низким сопротивлением последующего
усилителя, в микрофонах массового применения (бытовых) выполняется
обычно в виде маленькой интегральной схемы 10 (объемом порядка
единиц мм3) и располагается или во внутреннем объеме или снаружи НЭ.
Выходное напряжение этого предусилителя с помощью
выводов 11 подается на последующий за микрофоном усилитель
напряжения (так называемый, усилитель «нулевого уровня»). Сетка 12
выполняет функцию механической защиты мембраны, а также является
частью экрана защищающего преобразователь и предусилитель от
внешних электростатических наводок. Мембрана КМ является
механической системой с распределенными параметрами, которую для
упрощения
расчетов
заменяют
эквивалентной
системой
с
сосредоточенными параметрами (см. параграф 1.6)
4
ρ ΔS ;
c1  1 8πτ Δ ,
(2.1)
3 1 1
где ρ1 – плотность материала мембраны, Δ – ее толщина, S1 – площадь,
τ – натяжение мембраны [н/м2]. Поскольку в НКМ мембрана совершает
колебания под действием равномерно распределенной силы, исключающей
возникновение несимметричных мод, этими эквивалентными параметрами
можно пользоваться до частоты второй симметричной моды, а учитывая,
что мембрана НКМ находится, в условиях значительного демпфирования,
со стороны внутреннего объема и подмембранного слоя, и значительно
выше. Расчлененность НЭ посредством ряда отверстий или канавок
приводит к разбивке подмембранного слоя на N одинаково
функционирующих акустико-механических ячеек [1,2] либо со стоком
воздуха к центру, либо к периферии.
При анализе акустико-механической подсистемы микрофона в целом
механический импеданс каждой ячейки может рассматриваться
независимо от других, с последующим суммированием сопротивлений
всех ячеек. Методы анализа и расчета КМ подробно рассмотрены в
работах [1, 2, 4], поэтому здесь на этом не имеет смысла останавливаться.
Рассмотрим такую ячейку КМ и ее эквивалентную схему как несколько
упрощенную модель капсюля в целом. В качестве примера на рис.2.1,б
приведена упрощенная модель капсюля НКМ, а на рис. 2.2,а ее
эквивалентная схема. Так как толщина слоя δ = 20÷40мкм, а высота
внутреннего объема h = 1÷2мм, то влиянием гибкости слоя во всем
диапазоне частот микрофона без существенной погрешности можно
пренебречь. Тогда в качестве расчетной эквивалентной электрической
схемы (ЭЭС) можем взять рис. 2.2,б, где эквивалентные
параметры
m1 
m1= m m + mc ; r 1 =rm +rc ; c 1 = c m ;
c3= cv.
Системная модель чувствительности. Основные управляющие элементы
Общее системно-структурное выражение для чувствительности
микрофонов (1.1), приведено в параграфе 1.1.
Конкретизируем
это
выражение
для
чувствительности
ненаправленного конденсаторного микрофона в опорной зоне частот (см.
(1.9)). Напомним, что в этом диапазоне можно считать pM /p = D(θ) ≈ 1.
Остальные величины в соответствии с результатами, полученными в
параграфе 1.1, можем записать в следующем виде:
- для акустико-механического звена приемника давления
F pM  Dθ   S1  S1, где S1- эквивалентная площадь мембраны;
- для электростатического преобразователя величина коэффициента
электромеханической связи K эм  E ξ  U 0 jωδ1 , где эффективная
величина зазора  1     
(Δ и ε – толщина и диэлектрическая
проницаемость материала полимерной мембраны);
- для коэффициента передачи электрической схемы К (рис.2.3) в
общем виде:
K
u

e
Rн K y
 C 
1
Rн 1  n  
 C k  j C k
(2.2)
Величина Rн= (0,5 2)109 Ом подбирается таким образом, чтобы
Rн  1 C k во всем номинальном диапазоне частот, а Сk для НКМ, как
правило, (исключая миниатюрные встраиваемые капсюли) на порядок
больше Сп, тогда это выражение можно представить в более простом виде:
u e  K  K y 1  Cn Ck   K y
(2.3)
Подставив эти соотношения в (1.1), получим:
M0 
S1  U 0  K y
j z M
(2.4)
Очевидно,
что
для
получения
частотно-независимой
чувствительности, необходимо чтобы механическая подсистема НКМ (см.
рис.2.2) хотя бы в опорной зоне частот управлялась гибкостью, т.е.

F

cc
1
 jc  j 1 v
zM
c1  cv
(2.5)
где cΣ - совокупная гибкость мембраны c 1 и внутреннего объема c 3 =cV
Подставив (2.5) в (2.4) получим для чувствительности в опорной зоне
Eоп 
S1U 0 c K у
(2.6)

Остановимся подробнее на характере величины с. На практике имеют
место два случая:
1)гибкость мембраны с1 велика по сравнению с гибкостью воздуха
полостей неподвижного электрода с3, следовательно с  с3, то есть
акустико-механическая подсистема таких конденсаторных микрофонов
(это практически все модели профессиональных и бытовых
конденсаторных микрофонов с полимерной мембраной) управляется
упругостью объема, которую можно определить по формуле
c3 
V1
h

 0 v 2 S12  0 v 2 S1
(2.7)
2) гибкость мембраны мала по сравнению с гибкостью объема: с1<< с3
и с  с1, то есть акустико-механическая подсистема управляется
упругостью мембраны, что имеет место в измерительных конденсаторных
микрофонах с сильно натянутой металлической мембраной и в некоторых
моделях студийных конденсаторных микрофонов, изготовленных на базе
той же технологии. Теоретически, конечно, могут быть и промежуточные
случаи, когда с1  с3, но практически это не встречается. Отметим, что
первая и вторая группы НКМ существенно отличаются как с точки зрения
получения определенной совокупности электроакустических параметров
при проектировании, так и по эксплуатационным возможностям.
Подробнее с этими вопросами можно ознакомиться в работе [2].
В случае, когда управляющим элементом является гибкость
внутреннего объема, в расчете совокупной массы m1 уже не удается
ограничиться только физической массой мембраны, т.к. вторая
составляющая – масса слоя воздуха mc по величине обычно соизмерима
или превосходит последнюю. Для того чтобы в основном диапазоне частот
механическое звено управлялось гибким сопротивлением, необходимо
чтобы ее резонансная частота fр находилась вблизи верхней границы
номинального диапазона fв. С другой стороны, необходимо избегать как
существенного подъема, так и спада ЧХЧ вблизи fв, т.е. как заметных на
слух амплитудно-частотных, так и переходных искажений, которые
неизбежно возникают на частотах в зоне собственных резонансов при
малом коэффициенте потерь  
r
m1 c
в механическом звене. Таким
образом, необходимо выполнение условий:
fв /2< fр <3/4· fв ;
1/2 < η <2
(2.8, а);
.
(2.8, б).
В зависимости от назначения конкретной модели НКМ, оптимальная
величина fв и η может существенно изменяться в указанных пределах.
Например, в петличных МФ она должна быть около нижних пределов, в
измерительных – около верхних. Отметим, что обычно увеличение fв
крайне нежелательно, т.к. практически осуществляется за счет уменьшения
гибкости, а это приводит к уменьшению чувствительности НКМ (см. (2.6)).
2.2. Электрические схемы микрофонов, радиомикрофоны
Капсюль конденсаторного микрофона (КМ) является для внешних
электрических цепей генератором ЭДС с большим внутренним
сопротивлением емкостного характера. В этом смысле принципиально от
них не отличаются и пьезоэлектрические приемники звука. Собственная
емкость Ck капсюля КМ имеет величину порядка 10-100 пФ. Вторым
звеном звукового тракта, следующим за микрофоном, является
микрофонный усилитель (иначе называемый усилителем напряжения
нулевого уровня). Входное сопротивление этих усилителей обычно от 600
Ом до 10 кОм, выходной сигнал должен быть порядка 1 В (за нулевой
уровень принят сигнал с эффективным значением 0,775 В). Кабель,
соединяющий микрофон с этим усилителем, является линией с погонной
емкостью
несколько
десятков
пФ/м.
Поэтому
соединение
непосредственно капсюля КМ с усилителем при помощи кабеля длиной в
1м приведет к приблизительно 2-кратной потере величины полезного
сигнала, при длине кабеля в 10м сигнал уменьшится на порядок и т.д.
Поэтому в корпусе КМ всегда имеется электронная схема,
представляющая собой встроенный предусилитель с коэффициентом
усиления Ку =0,5 - 1, роль которого заключается не в усилении сигнала, а в
согласовании большого емкостного импеданса преобразователя с
входным сопротивлением усилителя нулевого уровня. В силу этой
особенности КМ требует источника постоянного напряжения. Разница
заключается в том, что для КМ с внешней поляризацией требуется
достаточно высоковольтный источник (по крайней мере, десятки вольт)
для зарядки мембраны и неподвижного электрода преобразователя
зарядами противоположного знака. В электретных микрофонах питание в
несколько вольт необходимо только для схемы предусилителя.
Большинство современных профессиональных КМ с целью унификации
использует «фантомное питание» (см. параграф 2.6), имеющееся во всех
современных пультах и профессиональных видеокамерах.
В литературе микрофонным усилителем часто называют как
встраиваемый в корпус микрофона
согласующий микрофонный
предусилитель, так и последующий усилитель нулевого уровня. Во
избежание такой терминологической путаницы в дальнейшем
встраиваемую в микрофон согласующую ступень мы будем называть
предусилителем.