5.5. Конденсаторные и электретные микрофоны.
Принцип действия. Конструкция конденсаторного микрофона (рис. 5.14а) представляет собой конденсатор, один из электродов которого массивный 3, а второй — тонкая натянутая мембрана 1. На конденсатор подано поляризующее напряжение Uo через высокоомное сопротивление RH. Заметим, что источник поляризующего напряжения не расходует энергии, так как постоянной составляющей тока нет. При колебаниях мембраны емкость конденсатора С0 изменяется,
Рис. 5.14. Конденсаторный микрофон:
а) принцип действия; б) электрическая схема микрофона;
1— мембрана; 2 — изоляционная прокладка; 3 — массивный электрод; 4 — зазор между электродами.
а так как заряд q остается постоянным (конденсатор не успевает перезаряжаться из-за большой постоянной времени RнCо = τ), то изменяется напряжение на нем. Это дополнительное напряжение ΔU= Е и будет являться ЭДС от действия звукового давления на мембрану (рис. 5.14б). Напряжение, получаемое на нагрузке, несколько меньше ЭДС из-за падения напряжения на емкости конденсатора.
В электретном микрофоне, в отличие от конденсаторного, поляризующее напряжение образовано предварительной электризацией одного из электродов, изготовляемого из полимеров или керамических поляризующихся материалов. Такой электрод имеет металлическое покрытие, которое, по существу, и является электродом конденсатора, а электрет служит лишь источником поляризующего напряжения. Поляризация электрета постепенно уменьшается и через несколько лет требуется или его замена, или повторная поляризация. В этом недостаток электретного микрофона по сравнению с конденсаторным, но и достоинство, так как для него не требуется источник напряжения. По механическим, акустическим характеристикам, а также по конструкции электретный микрофон ничем не отличается от конденсаторного.
Частотная характеристика конденсаторного микрофона отличается своей равномерностью. В диапазоне до резонанса мембраны неравномерность может быть сделана очень малой,
Рис 5Л5. Схематический разрез капсюля микрофона:
1— массивный электрод; 2 — мембрана; 3 — зазор между электродами; 4 — изоляционная прокладка; 5 — канавки для демпфирования: 6 — канал и резиновая пленка для выравнивания атмосферного давления.
Вследствие малой неравномерности характеристики конденсаторные микрофоны часто используют как измерительные.
Рис. 5.16. Частотная характеристика конденсаторного микрофона:
1 — без демпфирования; 2 — с демпфированием.
Измерительные микрофоны изготовляют на диапазон частот от 20—30 Гц до 30—40 кГц с неравномерностью 1 дБ до частоты 10 кГц и не более 6 дБ — выше 10 кГц. Размеры капсюля такого микрофона берут в пределах 6—15 мм, из-за этого он практически ненаправлен до частоты 20—40 кГц. Чувствительность его не превышает — 60 дБ. Микрофоны для передачи музыки имеют диапазон частот 20—20 000 Гц (КМС-14) с неравномерностью частотной характеристики в диапазоне 50—15 000 Гц не выше 6 дБ. Диаграм1ма направленности отклоняется от окружности только на самых высоких частотах передаваемого диапазона.
Недостаток конденсаторных микрофонов — необходимость применения усилителя возле самого капсюля. Раньше это сильно увеличивало размеры микрофона. С появлением полевых транзисторов это не вызывает особых конструктивных трудностей.
Стандартный уровень чувствительности конденсаторных микрофонов с усилителем составляет — 54 дБ (в микрофонах для кинозаписи уровень чувствительности составляет
—30÷—40 дБ). Уровень собственных шумов микрофона составляет 0—10 дБ, т. е. на 10—15 дБ выше, чем у динамических микрофонов.
Комбинированные приемники. Наиболее распространенными конденсаторными микрофонами являются микрофоны, комбинированные из двух несимметричных приемников градиента давления (рис. 5.17).
Рис. 5.17. Капсюль комбинированного конденсаторного микрофона:
1 — массивный электрод; 2 — мембраны; 3 — канавки для демпфирования; 4 — каналы для передачи звукового давления и внутренней стороны мембраны; 5 — изоляционные прокладки
В таком микрофоне средний электрод 1 массивный, металлический, а два внешних электрода 2 изготовляются из тонкой, горочной полимерной пленки с золотым покрытием. Обе пленки натянуты до возможного предела. В неподвижном электроде сделаны как канавки для демпфирования 3, так и сквозные каналы 4. Кроме того, в корпусе есть небольшое отверстие, затянутое гибкой пленкой и служащее для выравнивания атмосферного давления. Звуковое давление, действующее на внешнюю сторону любой из мембран, передается через каналы в неподвижном электроде к внутренней стороне другой мембраны. Поэтому на каждую из мембран действует звуковое давление с внешней стороны, а через каналы— с внутренней. Между звуковыми давлениями есть сдвиг по фазе, обусловленный разностью хода звуковых волн, которая, в свою очередь, определяется толщиной капсюля микрофона.
В одном варианте поляризующее напряжение подают между неподвижным и одним из подвижных электродов микрофона — мембраной. Вторая мембрана в этом случае выполняет роль только передатчика колебаний извне к внутренней стороне рабочей мембраны. В этом случае микрофон имеет кардиоидную характеристику направленности.