Конденсаторный микрофон: устройство и применение¶
Конденсаторный микрофон — электроакустический прибор, преобразующий звуковые колебания воздуха в электрический сигнал за счёт изменения электрической ёмкости между подвижной мембраной и неподвижным электродом. Относится к классу ёмкостных преобразователей и широко применяется в студийной звукозаписи, измерительной технике, радиовещании и бытовой электронике. Отличается высокой чувствительностью, широким частотным диапазоном и низким уровнем собственных шумов.
¶Принцип работы
Основу конструкции составляет конденсатор, одной из обкладок которого служит тонкая мембрана, а другой — массивный задний электрод. Между ними приложено постоянное напряжение поляризации (обычно 40–200 В), создающее электрический заряд. Когда звуковая волна колеблет мембрану, расстояние между обкладками меняется, а вместе с ним — ёмкость и напряжение на электродах. Эти колебания снимаются и усиливаются предусилителем, встроенным в корпус микрофона.
Поскольку такой преобразователь обладает очень высоким выходным сопротивлением, сигнал без промежуточного усилителя практически не передаётся по кабелю. Именно поэтому почти все конденсаторные микрофоны содержат встроенный предусилитель, требующий питания. Исторически для этого применялась батарея, а с 1960-х годов стандартом стала так называемая фантомная схема питания (phantom power) напряжением 48 В, подаваемым по тому же симметричному кабелю, что и сигнал.
¶История
Первый работоспособный конденсаторный микрофон сконструировал в 1916 году американский инженер Эдвард Венте, работавший в лабораториях Bell. Устройство было громоздким и требовало высокого поляризующего напряжения, поэтому долгое время уступало угольным и ленточным микрофонам.
Перелом наступил в 1928 году, когда Георг Нойманн представил модель CMV 3, ставшую одним из первых серийных конденсаторных микрофонов для звукозаписи. В 1947 году компания Neumann выпустила U 47 — ламповый микрофон, надолго определивший стандарты студийного звука. В 1960-х годах появились транзисторные модели, а развитие технологии электретов сделало конденсаторные микрофоны массовыми и дешёвыми.
В СССР конденсаторные микрофоны разрабатывались с 1930-х годов; заметный вклад внесли ленинградские и московские радиотехнические предприятия. Широко известны студийные модели, применявшиеся на радио и киностудиях.
¶Виды
По способу поляризации различают:
- Микрофоны с внешней поляризацией — классическая схема, требующая источника постоянного напряжения.
- Электретные микрофоны — мембрана или задний электрод выполнены из электрета, сохраняющего заряд без внешнего источника. Именно этот тип используется в бытовой технике, телефонах, гарнитурах.
По конструкции мембраны выделяют микрофоны с большой и малой диафрагмой. Большая мембрана (диаметр около 25 мм) даёт низкий уровень шума и характерную «тёплую» окраску звука, малая обеспечивает более точную передачу переходных процессов и лучше работает на высоких частотах.
По направленности различают:
| Тип | Характеристика |
|---|---|
| Кардиоида | Приём преимущественно спереди |
| Гиперкардиоида | Более узкий лепесток, есть тыловой отклик |
| Восьмёрка | Двусторонний приём |
| Круг | Равномерный приём со всех сторон |
Многие студийные модели имеют переключаемую диаграмму направленности, реализуемую за счёт изменения поляризации нескольких электродов.
¶Характеристики
Ключевые параметры конденсаторных микрофонов:
- Частотный диапазон — обычно от 20 Гц до 20 кГц, у измерительных моделей шире.
- Чувствительность — измеряется в милливольтах на паскаль; у конденсаторных микрофонов она на порядок выше, чем у динамических.
- Уровень собственных шумов — выражается эквивалентным уровнем звукового давления; лучшие модели дают менее 10 дБ(А).
- Максимальный уровень звукового давления — предел, при котором искажения остаются допустимыми.
- Динамический диапазон — разность между уровнем шума и максимумом.
¶Применение
Благодаря точности и чувствительности конденсаторные микрофоны стали основным инструментом профессиональной звукозаписи: вокал, акустические инструменты, симфонический оркестр, озвучивание кино. Их используют на радио и телевидении, в концертной звукорежиссуре для подвесных и накамерных систем.
В измерительной технике конденсаторные микрофоны служат эталонами при акустических измерениях, калибровке оборудования и оценке шума. В быту электретные модели встроены в смартфоны, диктофоны, системы видеонаблюдения, слуховые аппараты и гарнитуры.
¶Особенности эксплуатации
Конденсаторные микрофоны чувствительны к влажности и требуют бережного обращения: конденсат на мембране вызывает треск и потерю чувствительности. Для питания необходим источник фантомного напряжения либо внутренняя батарея. При работе с громкими источниками применяют аттенюатор, а для снижения низкочастотных помех — фильтр обрезки (low cut).
¶Критика и ограничения
Основные недостатки — необходимость питания, хрупкость тонкой мембраны, высокая цена профессиональных моделей и чувствительность к механическим воздействиям. В условиях сильного ветра или близкого расположения к громким источникам конденсаторные микрофоны уступают динамическим, которые проще и надёжнее в эксплуатации.
¶Источники
- Иофе В. К., Янпольский А. А. Расчётные графики и таблицы по электроакустике.
- Сапожков М. А. Электроакустика.
- Алдошина И. А., Приттс Р. Музыкальная акустика.
- Материалы по истории компании Neumann и Bell Laboratories.