Mikrofon
Mikrofon je zařízení pro přeměnu akustického signálu na signál elektrický. První mikrofon vynalezl tvorca gramofónu Emile Berliner 4. marca1877.
Dynamický mikrofon
Membrána mikrofonu se pohybuje v závislosti na akustickém tlaku. Toto zároveň způsobuje i pohyb cívky, která je spojená s membránou. V cívce, která se takto pohybuje v magnetickém poli, se vytváří elektrický signál. Výstupní napětí se mění v závislosti na pohybu membrány a cívky. U tohoto mikrofonu pohybuje membrána cívkou v magnetickém poli permanentního magnetu, čím se vytváří střídavé napětí respektive proud (ide o opačný proces, jak se odohrává v klasických reproduktorech). Dynamické mikrofony jsou méně citlivé než kondenzátorové mikrofony, lépe proto zpracovávají hlasitý spev při živých vystoupeních atd. Nevýžadují napájení a jsou velmi odolné vůči mechanickému poškození. (Příkladem žijící legendy je například mikrofon Shure SM58, který se velmi často používá při veřejných vystoupeních). Smerová charakteristika je srdcová.
Páskový mikrofon
Tento mikrofon pracuje na stejném principu jako dynamický mikrofon. Rozdíl je v tom, že membrána je nahrazena tenkým aluminirovýmpáskem, který se v závislosti na akustickém tlaku pohybuje v magnetickém poli. Dynamický mikrofon páskový (tzv. Ribbon). Tu je „membránou“ zvlněný pásek z velmi tenké hliníkové fólie(opět několik mikrónů), umístěný v permanentním poli magnetů. Na převod z velmi malé impedance se používá transformátor, který je klíčovou součástkou těchto mikrofonů, podobně jako síla magnetů (dnes většinou neodymové) a kvalita napnutí a zvlnění hliníkové fólie. Konstrukce je jednoduchá ale je velmi citlivá na mechanické poškození a nemůže se skladovat blízko magneticky citlivých médií, protože může dojít k jejich zmagnetizování. Dnes přežívají páskové mikrofony „comeback“, napříč velmi nízkou citlivostí, a frekvenčním rozsahem do přibližně 15 kHz. Jejich velkým kladem je příjemný „teplý zvuk“. Dlhodobě se takové mikróny musí skladovat ve svislé poloze. Špecifické jsou osmičkovou charakteristikou.
Kondenzátorový mikrofon
Tento druh mikrofonu obsahuje dvě tenké kovové desky, které navzájem tvoří kondenzátor. Napájecí obvod vytváří v kondenzátoru elektrický náboj. Jedna z těchto desek je pevně uchytená a druhá je pohyblivá a má funkci akustické membrány. Vzájemné přibližování a oddalování těchto desek způsobuje změnu kapacity a tím i změnu výstupního napětí. Hrúbka membrány je několik mikrónů a je na ní nanesena vrstva vzácného kovu, nejčastěji zlata, podobnou metodou jako se vyrábějí tranzistory. Změna kapacity se přeměňuje na elektrický signál buď pomocí napájení z měkkého zdroje nebo predzosilňovače s velmi velkou vstupní impedancí (na toto jsou velmi vhodné elektrónky, které se používaly v prvních mikrofonech. Dnes je jednodušší řešit taký mikrofon pomocí integrovaného obvodu, resp, tranzistorů). Někdy je mikrofon součást oscilátoru rozladěného změnou kapacity a v následujících obvodech je změna demodulovaná na nízkofrekvenční signál. Je nutné aby vzdálenost mezi membránou a predzosilňovačem byla čo najmenší. Průměr membrány je zvyčejně jeden palec (čiže 2,54 cm). Kondenzátorové mikrofony vyžadují napájení. Pri vhodné konštrukcii mikrofónnovej vložky je možné polarizačnýmnapětím meniť smerovou charakteristiku mikrofónu, čo sa využíva pri štúdiových mikrofónoch. Kondenzátorové mikrofony se používají hlavně pro profesionální štúdiový záznam a na účely měření. Pri živých vystúpeniach sa dnes používajú hlavne dynamické mikrofóny. Kondenzátorový mikrofon patří mezi akusticky nejvěrohodnější a nejcitlivější mezi různými principy mikrofonů.
Elektretový mikrofon
Elektretový mikrofon je typem kondenzátorového mikrofonu, u kterého je elektrické pole potřebné pro funkci, vytvářené elektretem čiže nevodič hmotou, která je permanentně nabitá. V rytmu pohybu membrány se mění kapacita kondenzátoru a tím i napětí mezi deskami. Změny napětí musí být zpracovány predzosilovačem s vysokou vstupní impedancí, (zvyčejně zabudovaný FET tranzistor, přímo v tělese mikrofonu), tým pádem potřebují i napájení. Vyrábějí se pro náročné měřící účely, pro štúdie, ale také pro nenáročné použití například v počítačích, telefonech, spotřební elektronice atd. Samotné tělo mikrofonu není zvyčejně v průměru větší než 1 cm.
Uhlíkový mikrofon
Tento typ není ani dynamickým ani kondenzátorovým mikrofonem. Mikrofon byl používán ve starých telefonních přístrojích, a díky odolnosti proti otřesům i v armádních vysílačkách a telefonech. Princip je založen na stlačování uhlíkových granulí. Pokud jsou tyto stlačené jejich odpor klesá a výstupní napětí roste. Na principu uhlíkového mikrofonu byly skonstruované i první akustické zesilovače pro telefonní ústředny. Takové zesilovače měly vysoké zkreslení a malý frekvenční rozsah. V mikrofonech této konstrukce se při mechanických (i velmi jemných) úderách objevuje chraštění způsobené třením uhlíkových zrníček o sebe. V začátcích rozhlasového vysílání procházel uhlíkovým mikrofonem signál vysílače s vysokým výkonem, mikrofony proto vyžadovaly chlazení. Byly umístěny do těžkých stativů a do soustav pružin čo eliminovalo mechanické rázy. Nemají žádnou smerovou charakteristiku.
Piezoelektrický (piezo)mikrofon
Mikrofon je založený na piezoelektrickém jevu. Kryštalová substance při své deformaci generuje polarizované elektrické napětí. Na tomto principu je založen piezoelektrický mikrofon, který se používá hlavně na snímání zvuku akustických nástrojů (kontrabas, gitara, husle), protože se plochý snímací prvek dá s výhodou upevnit na rezonanční desku hudobního nástroje. Vibrace desky se přeniesly na snímací kryštal, čo generovalo napětí ekvivalentní vibracím. Piezoelektrický mikrofon se používal hlavně ve druhé polovici 20. století. Nízké náklady na jeho výrobu ho předurčily jako doplněk k páskovým magnetofónům.
Charakteristika mikrofonu
- frekvenční rozsah, pro který jsou mikrofony určené. Udává se v Hz. Pro kvalitní záznam se požaduje rozsah 40 Hz – 15 kHz. Uhlíkový mikrofon: 300 Hz – 3 kHz, dynamický mikrofon: 20 Hz – 20 kHz, kondenzátorový mikrofon: 10 Hz – 20 kHz.
- smerová charakteristika závislost citlivosti mikrofonu od uhla mezi osou mikrofonu a směrem, z kterého působí zdroj zvuku. Vyjadruje se prostorovým grafem.
- frekvenční charakteristika je závislost citlivosti mikrofonu na frekvenci. Vyjadruje se graficky.
- citlivost mikrofonu je minimální akustický tlak, který je mikrofon schopen zachytit, aby vyvolal požadovanou odezvu. Udává se v mV/Pa pro danou frekvenci. Čím je citlivost nižší, tím musí být mikrofon blíže k zdroji zvuku. Citlivost není rozhodujícím činitelem, pokud neklesne pod 0.8 mV/Pa při vnitřním odporu mikrofonu 200 Ohm. Vtedy je ešte stále zachovaný odstup signál – šum 45 dB, což je hranice poznatelnosti.
- šum mikrofonu Pokud je ekvivalentní hladina šumu mikrofonu nižší než hladina šumu štúdia (akustický tlak 3,6.10-2 Pa) potom mikrofon vyhovuje.
- výstupní impedance. Podle druhu je více-méně závislá na frekvenci. Velikost impedance je důležitá pro připojení mikrofonu ke zesilovači (impedanční přizpůsobení).
- činitel smerovosti Každý typ mikrofonu se vyznačuje tím, že jeho výstupní napětí závisí také na směru, z kterého na mikrofon dopadá zvuková vlna. Všesměrnou citlivost mají jen mikrofony s všesměrnou smerovou charakteristikou, ale i pro ně to platí jen pro střední a nízké frekvence. Při vyšších frekvencích se mění na srdcovou až osmičkovou v případě, že vlnová délka se přibližuje s rozměrem mikrofonu. Mikrofony se srdcovou resp. osmičkovou charakteristikou zdůrazňují zvukové vlny přicházející ze směru největší citlivosti mikrofonu a potlačují zvuk ze ostatních směrů. Činitel smerovosti se dá matematicky vyjádřit jako poměr druhé mocniny výstupního napětí ku druhé mocnině výstupního napětí stejného mikrofonu umístněného v dokonale difúzním akustickém poli za předpokladu stejného akustického tlaku a vlny dopadající v ose mikrofonu. Mikrofon s dokonale všesměrnou charakteristikou má koeficient smerovosti = 1. Odmocnina činitele smerovosti je tzv. činitel vzdálenosti, který udává kolikrát je možné vzdálit smerový mikrofon od akustického zdroje oproti mikrofonu s všesměrnou charakteristikou při zachování stejného poměru přímého a rušivého signálu.
Smerová charakteristika
Smerová charakteristika je prostorová citlivost mikrofonu. V závislosti od konstrukce a typu mikrofonu může tento přijímat zvuk z různých směrů v různé intenzitě. Mikrofony se navrhují se smerovými charakteristikami podle jejich předpokládaného použití. Smerová charakteristika je frekvenčně závislá – projevuje se spravidla při vysokých tónech, zatímco hluboké zůstávají nepoznamenané.
-
všesmerová -
subsrdcová -
srdcová -
superkardioidná -
hyperkardioidná -
osmičková -
smerová
- všesmerová (omnidirectional) nebo kulová charakteristika je taková, při které mikrofon přijímá zvuk rovnako kvalitně ze všech stran. Dá se dosáhnout nejjednodušeji a je typická pro elekretové mikrofony.
- srdcová (kardioidní) charakteristika potlačuje příjem zvuku „zozadu“ mikrofonu. Typická charakteristika pro spevácké dynamické mikrofony, potlačuje zpětnou vazbu.
- hyperkardioidní charakteristika je více smerová charakteristika než charakteristika kardioidní.
- osmičková (bidirectional) charakteristika je taková, při které přijímá mikrofon zvuk jen zozadu a předu.
- smerová charakteristika představuje oslabený příjem zvuku zozadu a ze stran. Přijímá se jen zvuk předu.
- úzko smerová charakteristika reprezentuje výrazně oslabený příjem zvuku zozadu, což se obyčejně z fyzikálních důvodů dosáhne délkou mikrofonu až 1 metr. Je charakteristická pro filmové štáby, které drží mikrofony ve výšce nad hranicí horní hranice obrazu. Úzko smerová charakteristika mikrofonu se dosahuje na úkor frekvenční charakteristiky, která je zatlačená jen do akustického spektra.
Frekvenční charakteristika
Hore Oktava 319 (štúdiový), dole Shure SM58 (spevácky)
Frekvenční charakteristika mikrofonu je závislost citlivosti od frekvence. Vyjadruje se graficky. Fyzikálním ideálem by byl mikrofon, který by akustický podnět přeměnil vždy na ekvivalentní elektrický signál bez ohledu na jeho frekvenci. Tak tomu však není. Dosáhnutí vyrovnanejší charakteristiky aspoň v počutevné oblasti vyžaduje nákladná opatření, například velmi malé rozměry mikrofonu. Z nedostatku se však časem stala čnost a frekvenční nevyrovnanosti jednotlivých výrobků začaly být využívány tak, aby pomohly zvýraznit nebo potlačit některé charakteristické zvukové odtěny snímaných objektů. Napr. všechny mikrofony kromě všesměrných pracují jako převodníky gradientu tlaku, s přibližováním k zdroji signálu zesilují hluboké frekvence – tzv. 'proximity efekt'. Toho využívají někteří speváci na dosažení teplé barvy zvuku v některých pasážích spevu přibližováním a oddalováním mikrofonu.
Pro špeciální účely se vyrábějí mikrofony s potlačenou částí frekvenční charakteristiky (např. pro reportážní snímání řeči nebo pro komunikační zařízení pracující v hlučném prostředí), v některých případech jsou vybavené i přepínatelnými korekcemi přímo ve vlastním tělese mikrofonu, nebo mají zdůraznit určitou část spektra potřebnou ke snímání zvuku špecifických hudobních nástrojů.
Příslušenství
- ochrana proti větru a mechanickým vlivům – obvykle ve formě zvukově půdušného návleku (molitan, tkanina)
- pavouk – využívá se hlavně u kondenzátorových mikrofonů. Tělo mikrofonu je zachytené v gumou (nebo pružinami) odpružené soustavě, která ho odděluje od mechanických otřesů.
- windshield- všeobecně používaný název pro penovou ochranu mikrofonu vůči větru. Hlavně ho používají televizní štáby na reportážních mikrofonech, a také její "chlpatá" obdoba se používá na úzko smerových mikrofonech.
- pop filtr – využívá se ve štúdiích. Je to sitko z půdušné tkaniny tlumící (rozptylující) větší objem vzduchu (např. výdech) aby se neprenesl jako rázová vlna na mikrofon.