Чувствительный микрофон. Остронаправленный высокочувствительный микрофон

Микрофоном называется электроакустический преобразователь звуковых колебаний в электрические сигналы. Еще недавно микрофоны были относительно редкими устройствами. Сегодня микрофоны - везде. У каждого в кармане есть смартфон, в котором устанавливают несколько микрофонов, иногда до четырех. Еще один микрофон - на руке, в смарт-часах. В iPhone 6 стоит три микрофона, а в iPhone 6S - даже четыре. Один прикладывают к уху при разговоре, другим пользуется при громкой связи, еще один используется для записи звука при съемке основной камерой. Один из микрофонов iPhone используется для шумоподавления. В режиме громкой связи могут использоваться сразу все четыре микрофона в зависимости от ориентации телефона.

В этой статье мы рассмотрим технические характеристики микрофонов и уделим особое внимание одной из основных характеристик - чувствительности, которую можно перевести из логарифмических единиц в линейные с помощью этого конвертера.

Производители микрофонов ежегодно выпускают миллиарды микрофонов. Первые микрофоны устанавливались в телефоны и радиопередатчики. Сейчас микрофоны используются в акустике (передача и преобразование в электрические сигналы и поток цифровой информации голоса, музыки, звуков естественного происхождения), а также для целей, не связанных с акустикой (в различных датчиках). В наши дни микрофоны используются во многих устройствах: телефонах, системах громкой связи, в аппаратуре радио- и телевизионного вещания, видеозаписи, в мегафонах, системах распознавания речи, системах устного перевода с участием человека-переводчика или (пусть не сегодня, но уже очень скоро) в полностью автоматизированных системах устного перевода.

Во многих системах микрофоны используются для целей, не связанных с акустикой. Это датчики для измерения расстояний, устройства, который могут включить и выключить различное оборудование в ответ на определенный звуковой сигнал, датчики, определяющие наличие определенных звуков, например детонационных стуков двигателей. При появлении детонационных стуков такие пьезоэлектрические датчики определяют их наличие, чтобы электронный блок управления смог принять меры для их предотвращения.

Классификация микрофонов

Существуют также специализированные микрофоны. Одним из примеров таких микрофонов являются гидрофоны, используемые для прослушивания и записи подводных звуков, например, издаваемых морскими млекопитающими или подводными лодками. Другими примерами являются контактные микрофоны и контактные пьезоэлектрические звукосниматели, которые улавливают звуковые колебания твердых объектов и, в то же время, плохо воспринимают колебания воздуха.

Микрофоны классифицируются по различным признакам:

Технические характеристики микрофонов

Какой тип микрофона выбрать для записи оркестра, певца, малого барабана или гитары? Кардиоидный, ненаправленный, а, может быть, остронаправленный высокочувствительный микрофон? А как насчет цены? Неужели микрофон за 20 тысяч долларов будет записывать звук в 200 раз лучше микрофона за 100 долларов или в 20 тысяч раз лучше микрофона за доллар (примерно столько стоят микрофоны, устанавливаемые в iPhone или недорогие компьютерные микрофоны). А что если я вам скажу, что микрофон-петличка за доллар, на котором даже нет названия, будет звучать намного лучше, чем Neumann за 20 тысяч, установленный на камере в пяти метрах от источника звука? Вполне возможно, что вы сможете ответить на эти вопросы, если научитесь читать и понимать технические характеристики микрофонов.

В качестве примера, рассмотрим характеристики кардиоидного динамического микрофона Shure PGA48:

• Чувствительность на частоте 1 кГц без нагрузки: –53,5 дБВ/Па (2,10 мВ/Па) при эталонном уровне чувствительности 1 Па = 94 дБ SPL
• Номинальный диапазон частот: 70–15000 Гц
• Характеристика направленности: кардиоида
• Модуль полного электрического сопротивления: 600 Ом
• Выходной соединитель: трехполюсный профессиональный соединитель (вилка) типа XLR

Теперь рассмотрим характеристики микрофонов более подробно.

Чувствительность в децибелах и линейных единицах

Микрофон представляет собой преобразователь, который преобразует звуковое давление в электрическое напряжение на выходе. Его чувствительность представляет собой соотношение между входным звуковым давлением и выходным электрическим напряжением. Она показывает насколько хорошо микрофон выполняет эту функцию преобразования. Высокочувствительный микрофон создает более высокое напряжение для определенного звукового давления, а значит, требует меньшего усиления в микшере или устройстве записи звука. Однако чувствительность никак не влияет на общее качество микрофона.

Чувствительность можно выразить в удобных линейных единицах в виде отношения напряжения на выходе микрофона в милливольтах на разомкнутом выходе или на нагрузке в 1 кОм к давлению синусоидального звукового сигнала с частотой 1 кГц. Именно такой подход, впрочем, весьма непоследовательный, принят в российских ГОСТах, описывающих параметры микрофонов и их измерение. Часто используемые логарифмические единицы не очень понятны людям далеким от техники.

Чувствительность микрофона обычно (в Европе и Америке, но не по российскому ГОСТу) выражается в логарифмических единицах (децибелах) и обычно измеряется с помощью излучения сигнала синусоидальной формы частотой 1 кГц и давлением 1 паскаль (1 Па = 1 Н/м² = 10 дин/см² = 10 микробар, которое соответствует уровню эквивалентного звукового давления 94 дБ SPL. Некоторые изготовители микрофонов используют другой эталонный уровень чувствительности - 74 дБ SPL, который соответствует давлению 0,1 Па или 1 дин/см². Однако рекомендуется использовать 94 дБ SPL, так как уровень звукового давления 74 дБ SPL слишком близок к типичному уровню шума.

Величина сигнала, снимаемого с микрофона, является мерой его чувствительности. Чем она выше, тем больше чувствительность микрофона. В связи с очень большим диапазоном человеческого слуха и удобства для измерения звуков пользоваться логарифмической шкалой, чувствительность микрофонов часто измеряют в децибелах относительно эталонного уровня чувствительности в 1 В/Па. Это очень большой уровень, намного превышающий чувствительность любого микрофона, поэтому их чувствительность в децибелах выражается отрицательными значениями. В этом конвертере единиц измерения для перевода чувствительности в децибелах в линейные единицы мВ/Па и наоборот используются следующие формулы:

S dB re 1V/Pa = 20 log 10 (TFmV/Pa/1000 mV/Pa)

TF mV/Pa = 1000 mV/Pa × 10(S dB re 1V/Pa/20).

S dB относительно 1В/Па - чувствительность в децибелах относительно 1 В/Па,

TF мВ/Па - чувствительность в мВ/Па и

1000 мВ/Па = 1 В/Па - эталонный уровень чувствительности, равный напряжению 1 В, вырабатываемом микрофоном при действии на него звукового давления в 1 Па.

Логарифмическая чувствительность в децибелах с указанным эталонным уровнем является «абсолютной» величиной, то есть, ее всегда можно преобразовать в мВ/Па или любые иные линейные значения.

Почему именно 94 или 74 децибела можно увидеть во всех статьях, посвященных чувствительности микрофонов? Это связано с уровнем порога слышимости человека, равного 2 10⁻⁵ Н/м² или 20 мкПа для синусоидальной волны частотой 1 кГц. Именно такой самый тихий звук может обнаружить здоровый молодой человек. Уровень звукового давления в децибелах P SPL , измеренный по относительной шкале для давления 1 Па, часто используемого для измерения чувствительности микрофонов, определяется по формуле

P SPL = 20·Log₁₀(P/P₀),

где P = 1 Па и P₀ = 2·10⁻⁵ Па. То есть,

P SPL = 20·Log₁₀(1/2·10⁻⁵) = 93,979 dB.

Если же использовать в качестве опорного уровня давление не в 1 паскаль, а в 1 дин/см² = 2·10⁻⁴ Па, то имеем:

P SPL = 20·Log₁₀(1/2·10⁻⁴) = 73,979 дБ.

Отметим, что эти две величины отличаются ровно на 20 децибел. Отметим также, что 94 и 74 децибела - это абсолютные значения звукового давления, равного 1 Па и 1 дин/см² соответственно. .

Более высокие значения чувствительности в децибелах указывают на более высокую чувствительность, например, микрофон с чувствительностью в –50 дБ является более чувствительным, чем микрофон с чувствительностью –65 дБ. Чувствительность гидрофонов обычно выражают в децибелах относительно эталонного уровня 1 В/мкПа.

Несмотря на то, что чувствительность не является показателем качества микрофона, эта характеристика имеет особое значение при записи таких слабых звуков, как, например, движение эмбрионов в куриных яйцах. В то же время, если нужно записать звук кузнечного молота, то при использовании высокочувствительного микрофона входные каскады предусилителя или микшера скорее всего будут перегружены, что приведет к появлению искажений. В остронаправленных микрофонах («пушках») для записи звуков от удаленных источников используются высокочувствительные головки. В то же время в микрофонах для записи речи или вокала, которые находятся всего в нескольких сантиметрах от источника звука, например, в упомянутом выше Shure PG48, установлены микрофонные капсюли значительно меньше чувствительности. Чувствительность микрофона - только один показатель среди множества других, которые следует учесть при выборе микрофона для конкретной области применения.

В технических характеристиках микрофонов чувствительность обычно указывается для разомкнутой цепи , то есть без нагрузки. Есть несколько причин измерения чувствительности именно таким образом. Во-первых, в этом случае можно рассчитать, как будет работать микрофон на любую нагрузку. Для этого нужно знать всего две величины: чувствительность без нагрузки и полное выходное сопротивление микрофона. Во-вторых, в современном оборудовании для обработки и усиления звука для эффективного использования микрофоны всегда подключают к высокоомной нагрузке, например, 200-омный микрофон следует подключать к нагрузке сопротивлением не менее 2 кОм. Тогда можно считать, что микрофон работает на разомкнутую цепь. Чувствительность для разомкнутой цепи удобна также для сравнения чувствительности различных микрофонов.

При сравнении чувствительности микрофонов различных изготовителей следует учитывать какие эталонные уровни чувствительности используются в характеристиках - упомянутые выше 94 или 74 дБ SPL. Например, взятый в качестве примера микрофон Shure PGA48, имеет чувствительность 2,1 мВ/Па, что соответствует чувствительности –73,5 дБ относительно 1В/дин см² и –53,5 дБ относительно 1 В/Па. Видно, что разность величин чувствительности в децибелах равна точно 20 дБ. Таким образом, для сравнения чувствительности микрофонов различных изготовителей можно воспользоваться нашим конвертером для преобразования различных значений к одному эталонному уровню чувствительности.

Ниже в таблице приведены типичные значения чувствительности микрофонов с различными типами преобразователей в дБВ/Па и мВ/Па.

Чувствительность по мощности

В литературе, посвященной динамическим микрофонам, выпущенной до середины прошлого века, да и в характеристиках самих микрофонов той поры можно найти характеристики чувствительности микрофонов по мощности, которые были приняты на заре развития радиовещания, когда была в ходу концепция согласования входного и выходного импеданса. В соответствии с этой концепцией, микрофон должен был подключаться к нагрузке с импедансом, равным внутреннему импедансу микрофона. Позже была принята идея согласования по напряжению, и она остается актуальной для микрофонов и усилителей и сейчас. То есть, сейчас считается, что импеданс любого предусилителя должен быть не менее, чем на порядок (в десять раз) выше, чем внутреннее сопротивление микрофона. Поэтому концепция чувствительности микрофона по мощности представляет исключительно исторический интерес и здесь не обсуждается.

Полоса воспроизводимых частот

График частотной характеристики показывает полосу воспроизводимых микрофоном частот в области 20 Гц - 20 кГц, то есть в диапазоне слуха человека. Часто на этом графике имеются кривые для различного расстояния от микрофона до источника звука. Диаграмма получена в результате тестирования микрофона в звукомерной (безэховой) камере, которая обеспечивает полное поглощение отраженных звуков. Испытуемый микрофон помещается перед калиброванным громкоговорителем, излучающим розовый шум, спектральная плотность которого затухает на 3 дБ на каждую октаву. Выходной сигнал микрофона анализируется и результаты анализа выдаются в форме графика частотной характеристики, на горизонтальной оси которого в логарифмическом масштабе указывается частота, а на вертикальной - относительный уровень сигнала в децибелах.

Характеристика направленности

Характеристика (диаграмма) направленности микрофона показывает зависимость чувствительности микрофона к направлению падения звуковой волны относительно его акустической оси. Обычно эту характеристику представляют в полярных координатах, в которых каждая точка на плоскости определяется расстоянием от начала координат до этой точки (полярным радиусом) и углом между нулевым направлением и направлением на эту точку (азимутом). Наиболее часто применяются ненаправленные микрофоны или направленные микрофоны с диаграммой направленности в полярных координатах в форме кардиоиды, субкардиоиды, гиперкардиоиды и суперкардиоиды. Имеются также двунаправленные микрофоны с диаграммой направленности в форме объемной восьмерки.

Полное внутреннее (выходное) сопротивление

Модуль полного внутреннего электрического сопротивления (импеданс) описывает сопротивление магнитной катушки или мембраны в случае ленточного микрофона, или выходное сопротивление предусилителя в случае конденсаторного микрофона. Диапазон значений модуля полного внутреннего сопротивления у разных типов микрофонов велик - от 1 ома у ленточного микрофона до десятков и сотен мегаом у конденсаторных микрофонов. Впрочем, в конденсаторных микрофонах всегда имеется внутренний предусилитель, выходное сопротивление которого значительно (на несколько порядков) меньше выходного сопротивления самой головки конденсаторного микрофона.

До середины пятидесятых годов прошлого века инженеры, занимающиеся вопросами звукозаписи, согласовывали импедансы микрофонов и усилителей. Однако в наши дни никто больше не озабочен вопросами согласования импедансов микрофонов с усилителями, так как обычно полное внутреннее выходное сопротивление самого микрофона или его предусилителя относительно низкое, в то время как входное сопротивление усилителя мощности или микшера относительно высокое (обычно выше более, чем на порядок).

Тепловой шум и эквивалентный уровень шума

Мы хорошо слышим тихий шипящий шум микрофонов и усилителей (не путать с сетевым гулом!), который представляет собой тепловой шум, являющийся результатом броуновского движения ионизированных молекул в проводнике, обладающем электрическим сопротивлением. Этот шум всегда присутствует и избавиться от него невозможно. Современные микрофоны имеют модуль полного внутреннего сопротивления 150–300 Ом и это сопротивление генерирует тепловой шум и при полном отсутствии звукового сигнала. Полупроводниковые приборы и резисторы усилителей, к которым подключаются микрофоны, также генерируют шум, который также невозможно устранить, но можно несколько уменьшить различными способами. Низкий уровень шума особенно полезен, когда приходится работать с очень тихими звуками, так как такие звуки могут «утонуть» в неизбежном шуме микрофона и усилителя.

Собственный шум микрофонов обычно приводится в их характеристиках в форме отношения сигнал-шум в децибелах или в форме величины собственного шума , которая указывается как эквивалентный уровень шума . Например, собственный шум конденсаторного микрофона iSK BM-800 равен 16 дБ(А). Здесь в децибелах с весовым фильтром А (дБ(А)) измеряется уровень звукового давления со взвешивающим фильтром типа А относительно звукового давления 20 мкПа, соответствующего порогу слышимости человека. А-фильтр предназначен для измерения относительно тихих звуков и для фильтрации низкочастотных шумов. При такой методике измерения собственных шумов хорошими считаются результаты ниже 15 дБ(А). Имеется и другая методика измерения шума, при использовании которой хорошими шумовыми характеристиками обладают микрофоны, если результат измерений менее 30 дБ.

Уровень предельного звукового давления

При записи звука необходимо знать какой предельный уровень звукового давления может выдержать используемый микрофон без превышения установленного в нормативно-технической документации суммарного коэффициента гармонических искажений (обычно 0,5, 1 или 3%) и, конечно, без ограничения сигнала, при котором синусоида превращается в меандр. 0,5-процентные искажения можно измерить, но нельзя услышать. Например, уровень предельного звукового давления микрофона iSK BM-800 равен 132 дБ на частоте 1 кГц при суммарном коэффициенте гармонических искажений 1%.

Динамический диапазон

Динамический диапазон микрофона определяется как диапазон звуковых давлений в децибелах, верхний предел которого ограничен уровнем предельного звукового давления, а нижний - эквивалентным уровнем собственного шума, измеренного с фильтром типа А. В нашем примере конденсаторного микрофона iSK BM-800 динамический диапазон можно рассчитать как 132 дБ – 16 дБ = 116 дБ. Следует отметить, что многие изготовители микрофонов не указывают динамический диапазон в технических характеристиках своих изделий.

Эффект близости

Каждый направленный микрофон характеризуется эффектом близости, который выражается в подчеркивании нижних частот при приближении источника звукового сигнала близко к микрофону. У ненаправленных микрофонов эффект близости отсутствует, в то время как у кардиоидных динамических вокальных микрофонов наблюдается усиление нижних частот до 16 дБ и даже более, если вокалист касается микрофона губами. Эффект близости обычно показывается на частотных характеристиках микрофонов в форме отдельных кривых с указанием расстояния от микрофона до источника звука. Ведущие радиопередач часто используют эффект близости для придания глубины своему голосу. В то же время, этот эффект может ухудшить разборчивость речи.

Гармонические искажения

В акустике суммарный коэффициент гармонических искажений сигнала определяется как отношение суммы мощностей всех гармонических компонентов к мощности основной частоты и характеризует линейность аудиосистемы. Обычно он выражается в процентах. Если полные гармонические искажения невелики, то компоненты акустической системы (микрофон, предусилитель, микшер, усилитель мощности и громкоговоритель) позволяют точнее воспроизводить звук. Для калибровки микрофона используют испытательный громкоговоритель, который излучает чистый синусоидальный звуковой сигнал. Воздействующий на микрофон звуковой сигнал анализируется на наличие первых пяти гармоник основной частоты.

Тип микрофонного соединителя

В микрофонах для бытового употребления обычно используются телефонные стерео или моно соединители типа TRS с диаметром вилки 6,35 мм, 3,5 мм или 2,5 мм. В профессиональных микрофонах чаще всего используется трехполюсный соединитель XLR, предназначенный для передачи балансного аудиосигнала. Иногда применяются и другие соединители, например, в радиолюбительской или профессиональной аппаратуре связи.

Трехполюсный соединитель XLR, используемый для балансной передачи звукового сигнала по экранированной витой паре, заслуживает особого внимания. Он используется в абсолютном большинстве профессиональных микрофонов. Балансные линии позволяют использовать длинные кабели, так как они уменьшают восприимчивость кабелей к внешним электромагнитным помехам. Кабель имеет две жилы для передачи звукового сигнала - по одному проводу идет прямой сигнал от микрофона (контакт 2), по другому инверсный (противофазный), полярность которого противоположна прямому сигналу (контакт 3). Эти два провода подключаются к входу дифференциального усилителя, который усиливает разность напряжений между двумя балансными линиями и подавляет помехи, которые являются синфазными. Скрутка проводов уменьшает электромагнитные помехи, вызванные электромагнитной индукцией. Третий провод - экранная оплетка кабеля, подключаемая к контакту 1 соединителя XLR.

Выводы

Мы надеемся, что, прочитав эту статью, вы сможете читать и понимать технические характеристики микрофонов, сравнивать их и выбирать микрофон, который вам нужен для выполнения конкретной задачи. Однако помните, что характеристики дают только объективную информацию об электроакустических возможностях микрофона и не могут показать как микрофон будет звучать. Они не могут рассказать всё о качестве микрофона. Например, они определенно не расскажут о качестве пайки элементов на печатной плате предусилителя или о качестве изготовления мембраны капсюля конденсаторного микрофона.

А как же насчет цены? Тут стоит помнить, что известные изготовители микрофонов используют те же рассчитанные на снобизм методы привлечения далеких от техники покупателей, которые используют компании, выпускающие духи и модную одежду . «Микрофоны Neumann признаны профессионалами по всему миру! Их можно найти в любой уважающей себя студии звукозаписи! Если у тебя есть Neumann - ты настоящий профессионал!»

В. М. Сапожков. Акустика. М. - «Книга по требованию»

Это продолжение тем:

Эти темы я объединил в одну и, таким образом, получился новый пост, в котором пойдёт речь осверхчувствительном микрофонном усилителе, включающем в себя несколько электретных микрофонов и позволяющем улавливать слабые звуки на фоне акустического шума.Самодельный усилитель дополняется фильтром присутствия, а также применяется комбинированное включение электретных микрофонов.

Фильтр присутствия настроен в резонанс на частоту 3 – 4 кГц, благодаря этому речь становится более внятной и выделяется из уровня посторонних акустических шумов помещения или улицы. Применение фильтра повышает динамический диапазон приёмо-передающего тракта за счёт подавления шумов активных элементов, находящихся выше резонансной частоты фильтра, а также уменьшает уровень нелинейных искажений, выраженных в виде хрипов при громкой речи, из-за ослабления высших гармоник за полосой пропускания фильтра. Нередко такое звучание, с использованием фильтра присутствия, путают с компрессией звука, но не находят присущие ей искажения. Микрофон с такой коррекцией частотной характеристики меньше боялся порывов ветра, быстро освобождаясь от перегрузок, сохранял запись, а поэтому использовалсядля репортажа.

Полный звуковой диапазон восприятия звука составляет 20 Гц – 20 кГц, но для прослушивания музыкальных произведений достаточно иметь более узкую полосу частот 40 Гц – 15 кГц, а для воспроизведения речи её можно ограничить до 300 Гц – 6 кГц.

Само же человеческое ухо наиболее чувствительно к частоте около 3 кГц, то есть частотная характеристика уха будет обладать подъёмом на этой частоте, ориентируясь на максимальную плотность спектра в разговорной речи. Наверное, замечали, обычно это присуще женщинам, чтобы быть услышанными они прибегают к пищащему тембру окраски голоса,делая акцент на высокочастотные составляющие спектра речи. Такое звучание при сильном постороннем шуме распространяется на большие расстояния. Аналогию, заложенную природой, можно провести с плачем младенца, который разбудит любого.

Техническая сторона решается путём изготовления микрофонного усилителя с диапазоном пропускаемых частот 300 Гц – 6 кГц, а частотная характеристика усилителя имеет подъём 8 – 10 дБ на частоте около 3,5 кГц и спад после 6 кГц. Высокая линейность и стабильность параметров усилителя обеспечивается за счёт применения операционных усилителей (ОУ) М1, М2, благодаря чему выходной сигнал не подвергается ограничению до величины 1,25 вольт среднеквадратичного значения напряжения.

Минимальный уровень шумов достигается применением в первом каскаде усилителя на полевом транзисторе Т1 с дополнительной коррекцией частотной характеристики в области верхних частот, а также использования фильтра нижних частот на операционном усилителе М1, дополнительно ослабляющего собственный шум усилителя и акустики выше 6 кГц.

Схема рассчитана для работы с электретным микрофоном Мic. Используя комбинированную схему включения электретных микрофонов, мне удалось разобрать даже шёпот на уровне громкого разговора и постоянного акустического шума.

Напомню, что параллельное включение микрофонов уменьшает их собственный шум в 1,41 раза, что улучшает соотношение сигнал / шум, всего тракта, если рассматривать микрофоны как первый каскад усилителя, отвечающего за этот параметр. Последовательное включение микрофонов рассматривается как усилитель с динамической нагрузкой, который обеспечивает компрессию звукового сигнала.

Я использовал от двух до трёх пар включённых микрофонов. Дальнейшее увеличение количества микрофонов мало влияет на качество звука. Интересные результаты получились с использованием микрофонов разных типов, что значительно уменьшает неравномерность частотной характеристики и собственные шумы самих микрофонов, причём, чем хуже характеристики микрофонов, тем заметнее на слух изменения их параметров в лучшую сторону при комбинированном их соединении.

При использовании разных типов микрофонов их количество может оказаться нечётным. В этом случае их включение подбираю таким образом, чтобы в средней точке их соединения получилось около половины напряжения питания.

Конструкция.

Так как усилитель имеет большое входное сопротивление, то во избежание фона и наводок микрофоны следует распаивать в непосредственной близости входного каскада. Монтаж может быть выполнен как на деталях SMD , так и на электронных компонентах для объёмного монтажа. В последнем случае все соединения между электронными компонентами должны быть как можно короче.

Параметры усилителя.

Номинальное напряжение питания 5вольт.

Общий коэффициент усиления 100. Коэффициент усиления первого каскада 7,5.

Когда-то давно я сделал остронаправленный высокочувствительный микрофон и выложил результаты его испытаний в интернете. С тех пор прошло уже много лет, но мне по-прежнему приходят запросы на приобретение этого изделия. В абсолютном большинстве случаев желающие приобрести имеют представление об этом изделии из художественных кинофильмов, обычно детективных. Поэтому, как только я высылал им фото, их интерес к нему пропадал. Для тех, кому действительно интересно такое устройство я решил написать эту статью, в которой кратко рассказать о том, как сделать его своими руками.

Структурно изделие состоит из параболического отражателя, приемного устройства, расположенного в его фокусе, НЧ усилителя, наушников и автономного блока питания. Все устройство закреплено на подвеске, позволяющей плавно поворачивать его в горизонтальной и вертикальной плоскости.
Чтобы представлять назначение каждого блока устройства напомню немного теории.

Пусть на параболический отражатель падает поток звуковых волн. Если источник звука достаточно далек, то звуковой поток можно представить в виде потока параллельных векторов. Падая на поверхность вектора отражаются в область фокуса (см. рис.2). Согласно волновой теории диаметр этой зоны d не может быть меньше длины волны падающего на отражатель звука. То есть, d ≥ λ, где λ = c/f. Здесь c – скорость звука, f – его частота. Будем считать, что форма параболического отражателя идеальна, а потому d = λ. Отсюда следует первая важнейшая характеристика устройства, его коэффициент усиления параболического отражателя: Kp = (D/d)2

Смысл данного соотношения очень прост. Звуковой поток падает на поверхность параболоида S = πD2/4. Параболоид концентрирует энергию потока в фокусе на поверхность приемного устройства площадью s = πd2/4. В результате на этой поверхности плотность энергии звукового потока возрастает в Kp = S/s = (D/d)2 раз. На фото диаметр параболического отражателя D = 90 см. Для волны λ = 15 см (f = 2000 гц.) получим Kp = (90/15)2 = 36.

Рис. 2

Второй важнейшей характеристикой устройства является его острота направленности. Этот параметр важен потому, что необходимо не просто усилить звуковой сигнал, а усилить полезный сигнал. Для этого необходимо с помощью диаграммы направленности «вырезать» его из общего звукового потока. Величину диаграммы направленности параболического отражателя можно вычислить так. Поворачивая параболоид (см. рис. 3) можно повернуть его на такой угол α, что область концентрации звукового потока выйдет за пределы приемного устройства. Поскольку размеры приемного устройства ограничены длиной волны принимаемого звука λ, то угол диаграммы направленности в первом приближении можно выразить так:
α = arctg(λ/F).

В устройстве, показанном на фото, параболический отражатель имеет фокусное расстояние F = 36 см. Отсюда, для λ = 15 см острота направленности устройства будет равна 22 градуса. Это достаточно малый угол. По этой причине параболический отражатель с приемным устройством установлены на подвеске (см.фото рис.1) которая позволяет плавно его поворачивать. Без этой подвески работать с устройством крайне затруднительно. К этому следует добавить, что в соотношения как коэффициента усиления (1), так и остроты направленности (2) входит длина волны λ. По мере ее уменьшения растут как коэффициент усиления, так и острота направленности. Это хорошо заметно при прослушивании акустического горизонта. Лучше всего слышны звуки высокой частоты: на природе крики птиц, в жилом районе звон посуды из открытых окон и форточек.

Рис. 3

Что касается приемного устройства, которое находится в фокусе параболоида (см. рис. 4). Основной частью устройства является кронштейн. В его центральной части есть отверстие. С одной стороны в нем закреплен конденсаторный микрофон, а с другой в него входит с небольшим зазором поршень из пенопласта, который приклеен к мембране. Сама мембрана вклеена в кронштейн. Кронштейн имеет окна, которые соединяют объем, ограниченный мембраной с объемом корпуса. Для увеличения акустического объема корпуса он заполнен синтепоном или иным волокнистым материалом.

Устройство помещено в фокусе параболического отражателя и работает следующим образом. Поток звуковых волн, отраженный параболическим отражателем падает на мембрану и заставляет ее колебаться. Из теории мембран следует, что под действием давления (звуковой волны) мембрана изгибается по форме параболоида четвертой степени. То есть под действием звуковых волн перемещается преимущественно центральная область мембраны. А это значит, что мембрана концентрирует энергию падающей звуковой волны в колебания своей центральной зоны. В результате поршень, который вклеен в центральную часть мембраны, будет возбуждать в объеме между ним и микрофоном колебания с амплитудой существенно превышающей амплитуду падающей на мембрану звуковой волны. Коэффициент усиления мембраны можно оценить так:
Km = (Dm/dk)2

Величину dk, т.е. размер зоны концентрации деформаций мембраны в первом приближении ее можно принять равной dk ≈ 0,2 Dm. Отсюда коэффициент усиления мембраны (для Dm = 15 см) будет равен: Km ≈ 25. Тогда общий акустический коэффициент усиления устройства будет равен: K = Kp Km = 36 x 25 = 900.

Некоторые практические советы по изготовлению остронаправленного высокочувствительного микрофона.

Рис. 4

1. Параболический отражатель

В своем устройстве в качестве отражателя я использовал прямофокусный отражатель спутниковой антенны с параметрами: D = 900 мм, F = 360 мм, F/D = 0.4. Материал отражателя – алюминиевый лист толщиной 1 мм. Подвеска (устройство поворота отражателя в двух плоскостях) стандартная от спутниковой антенны. Стойка с треногой самодельная.
Сейчас прямофокусных спутниковых «тарелок», тем более алюминиевых нет. Их вытеснили стальные офсетные. В принципе это не столь существенно. Неудобство состоит лишь в том, что стальная тарелка существенно тяжелее алюминиевой, а из-за офсетной формы, вектор ее диаграммы направленности не столь наглядный как у прямофокусной. Спутниковую тарелку можно купить как в специализированных фирмах, так и на радиорынке. Весте с «тарелкой» следует купить и ее подвеску, включая подвеску конвертора. То есть следует купить спутниковую антенну, но без электроники (конвертора и тюнера). Использовать для изготовления микрофона «тарелку» диаметром менее 900 мм нет смысла.

2. Приемное устройство

В качестве корпуса приемного устройства можно использовать любой цилиндрический контейнер подходящего (D ≈ 150 мм) размера. Например, можно использовать кружку из нержавеющей стали. Сейчас таких продают много.
Внутри корпуса размещается микрофонный НЧ усилитель. Я не электронщик, а потому использовал готовую схему усилителя и набор деталей КИТ ее реализующий. В качестве микрофона использовал конденсаторный микрофон диаметром около 1 см. Вопросы согласования характеристик микрофона и НЧ усилителя выяснял у продавцов наборов КИТ.
Выход усилителя и подвод к нему питания выведены на пятипиновый разъем, врезанный в корпус приемного устройства (см. фото).

Кронштейн (см. рис.3) выточен из пластика (я вытачивал из текстолита). Я не привожу его конкретные размеры. Достаточно задаться его внешним диаметром (у меня 150 мм) и диаметром микрофона (около 10 мм). Остальные размеры достаточно произвольные. Их соотношение можно взять, например, из приведенного рисунка 4.

Окна кронштейна (3 секторных окна) я высверлил, края обработал напильником. Затем подобрал тонкостенную металлическую трубку длиной миллиметров 50…100, с наружным диаметром, равным диаметру микрофона. После просверлил в кронштейне отверстие диаметров, равным наружному диаметру этой трубки. Край трубки заточил так, что получил из нее высечку. За тем подготовил пластину из пенопласта толщиной 5…7 мм. Вращая высечку, вырезал с ее помощью из пенопластовой пластины поршень. Поршень оставил в трубке.

После этих подготовительных работ можно вклеивать мембрану. Из папиросной либо иной тонкой бумаги вырезаем круг, равный диаметру кронштейна. Вклеиваем его в кронштейн с помощью водостойкого клея (резиновый клей, клей 88, «Момент» (каучуковый) и др.) После того как клей высох смачиваем (например ватным тампоном) вклеенную мембрану водой и даем ей высохнуть. После высыхания мембрана туго натянется. После этого в мембрану можно вклеить пенопластовый поршень, который находится в металлической трубке. Для этого выступающий из трубки торец поршня смазываем водостойким клеем. Но не «Моментом», он интенсивно растворяет пенопласт. Резиновый или 88 – ой. Кладем кронштейн на плоскую поверхность мембраной вниз и в центральное отверстие вводим трубку с поршнем. Не вынимая трубки, выталкиваем из нее поршень до соприкосновения с мембраной. За тем, прижимая поршень к мембране, осторожно вынимаем трубку из отверстия кронштейна. Все поршень вклеен. Спрашивается, зачем все эти сложности. За тем, чтобы поршень был установлен в отверстии кронштейна с минимальным зазором и строго коаксиально.

После вклейки поршня с другой стороны отверстия закрепляем микрофон. Например, подматываем на его боковую поверхность бумагу и плотно вставляем микрофон в отверстие. Соединение микрофона с платой НЧ усилителя желательно сделать разъемным. При проверке и настройке НЧ усилителя микрофон придется многократно отключать и подключать к плате усилителя. Кронштейн с вклеенной мембраной и микрофоном закрепляется в корпусе приемного устройства с помощью боковых винтов (саморезов). После того как НЧ усилитель настроен его плата закрепляется в корпусе приемного устройства, например с помощью термоклея. После этого корпус приемного устройства заполняется волокнистым материалом (синтепон, хлопковая вата и т.п. волокнистым материалом) и закрывается собранным кронштейном. Чтобы защитить бумажную мембрану от повреждения ее следует закрыть не очень толстой (8…10 мм) пластиной поролона (пенополиуритана). Поролон закрыть тонкой полиэтиленовой пленкой. Такая защита сколько ни будь существенно качество приема не снижает, но защищает мембрану от дождя и шума ветра.

3. Блок питания

Сейчас полно недорогих малогабаритных аккумуляторных батарей на основе которых можно сделать блок питания устройства. Кроме своего прямого назначения он используется также для коммутации. То есть аккумуляторная батарея размещается в корпусе, который используется для закрепления в нем следующий элементов. Выключатель питания, резистор управления уровнем сигнала с НЧ усилителя, пятипиновый разъем для подключения приемного устройства (на фото виден кабель, соединяющий разъем приемного устройства и блока питания). Кроме этого разъем для подключения наушников, и, при необходимости, записывающего устройства, которое содержит аналоговый вход.

После того как все блоки готовы устройство собирается в целом. Приемное устройство закрепляется вместо конвертора в фокусе спутниковой тарелки. С помощью штатной подвески тарелка устанавливается в подходящей треноге. Кабелем соединяем блок питания и приемное устройство. Подсоединяем наушники. Все, высокочувствительный остронаправленный микрофон готов к работе. Осталось только включить питание и начать прослушивать акустический горизонт.

Твитнуть

Предисловие

Предложенный мной метод не бесплатен, зато он работает. Улучшение не подойдёт всем и каждому, потому что придётся потратить 2-3 тысячи рублей либо научиться читать электронные схемы и паять. Зато качество будет хорошим, позволит с комфортом говорить даже в паре метров от микрофона.

Проблема

У большинства дешёвых микрофонов чувствительность по умолчанию недостаточна для того, чтобы вас отчётливо слышали. Приходится кричать, но на постоянной основе так делать нельзя, оранье - занятие утомительное и вредное.

Внимательно изучив вопрос, я пришёл к выводу, что в ситуации виноваты производители, чрезмерно упрощающие конструкцию устройства. Отдав свои кровно заработанные 100-500 рублей, покупатель по сути получает модуль (капсюль) электретного микрофона без какой-либо электронной «обвязки».

Всякие гибкие ножки, прищепки - это опциональная мишура. Формально такие микрофоны работают, но их чувствительность и качество записи невысоки (слышен шум). Ничто не мешает добавить в схему несколько электронных компонентов, улучшив способность микрофона улавливать тихие звуки.

Схемы усилителей довольно просты, поэтому умеющие пользоваться паяльником люди переделывают микрофоны и наслаждаются жизнью.

Кстати, даже в дешёвых петличках за 100 рублей ставят неплохие электретные модули. Например, у меня есть микрофончик-прищепка Genius десятилетней давности, работает шикарно. После доработки, разумеется.

Кроме низкой чувствительности, на записях можно услышать негромкое шипение. Его можно подавить фильтрами в аудиоредакторе, но когда помехи слишком сильны, очистка от шума исказит полезную часть записи и голос зазвучит глухо, словно из бочки.

Шум (в 99% случаев это помехи от электромагнитных полей) появляется на нескольких этапах доставки звука:

1. В электретном капсюле микрофона.
2. В микрофонном предусилителе, если он имеется.
3. При передаче сигнала по не экранированному от помех соединительному кабелю.
4. В усилителе звуковой карты.

Наиболее больное место - звуковая карта компьютера. Замена на более качественную и/или вынос за пределы корпуса компьютера может избавить от шума, но не у всех есть деньги на подобный апгрейд.

Чаще всего пользователь остаётся один на один с дешёвым микрофоном, воткнутом в фоняще-шипящую звуковую карту, распаянную на материнской плате компьютера. Можно попытаться сделать звук громче программно.

Как программно усилить звук

Может оказаться, что звуковая карта в компьютере установлена хорошая. Тогда включение усиления микрофона поможет.

В свойствах найдите вкладку «Уровни», там будут настройки усиления звука.

Усиление микрофона на вкладке «Уровни». Не забудьте нажать ОК

В зависимости от драйвера звуковой карты вместо ползунков может быть опция «Mic boost» или вовсе ничего.

К сожалению, с полезным звуком усиливается шум.

Если не засовывать микрофон в рот и не включать усиление, тихая запись в аудиоредакторе выглядит так:

Те, кто работал в Audacity, сразу поймут: запись недостаточно громкая. Включаем усиление и… увы, вместе с голосом усилится шум:

Для общения по Скайпу это приемлемо. А если в драйвере можно включить фильтр шумоподавления, жизнь прекрасна. Пускай голос звучит словно из бочки - слова разобрать можно и ладно.

Но для записи подкастов, видеуроков и тем более вокала нужен хороший источник звука. Никто не захочет слушать постоянное «шшш» на фоне даже самого приятного голоса в мире.

Помните!

Усиление чувствительности микрофона не всегда способствует качественной записи: чем лучше слышны окружающие звуки, тем сильнее они зазвучат на записи. И если вы записываете подкаст в комнате с чирикающим попугайчиком, сильное усиление сигнала будет только мешать. Нужно поймать баланс между чувствительностью, шумом помех и фоновыми звуками так, чтобы при обработке от лишних элементов можно было избавиться.

Как правильно подключить микрофон

Чтобы добиться качественного звучания, нужно знать, как подключить микрофон к компьютеру. Не все понимают, что за разноцветные входы расположены на задней панели настольного компьютера. С ноутбуками проще: возле разъёмов всегда найдутся поясняющие значки, на настольных ПК это роскошь.

(Могут наличествовать разъемы для подключения дополнительных колонок, что отлично подходит для создания домашнего кинотеатра, они нам не нужны.)

Основных разъёма три: выход на колонки (наушники), микрофонный и линейный входы, каждому присвоен определённый цвет.

Зачем нужны микрофонный вход и выход на динамики/наушники, понятно из названия. А с линейным (Line in) ситуация интереснее. Он тоже предназначен для записи звука, но устроен проще.

На устройство, подключённое к микрофонному разъёму, подаётся напряжение (так называемое «фантомное питание»), а обратный сигнал проходит через усилитель. Отсюда и возникает шум на записи: во-первых, подаваемое питание имеет свою частоту, во-вторых, электронные компоненты звуковой карты ловят и делают громче все помехи и сигналы с микрофона и окружающих устройств.

Линейный вход фантомного питания не имеет, да и усилителя как такового нет. Сигнал нужен мощный, но зато при оцифровке сигнала примешивается минимум постороннего шума. Например, можно взять старый кассетный плеер и подключить к Line in его выход на наушники - так получится оцифровать аудиокассеты.

Электретные и конденсаторные микрофоны нельзя просто взять и подключить к линейному входу. Точнее, электретный заработает, но без питания он, будучи генератором очень слабого тока, выдаст слишком тихий звук, практически неслышимый.

Существует поверье, что качество записи зависит от того, есть ли у звуковой карты фантомное питание или нет. Это заблуждение. У разных моделей выдаваемое напряжение разное, но оно есть всегда. Чистота звука зависит от схемы усилителя, общей защищённости от помех и ряда других факторов. Сколько напряжения выдаёт карточка - дело десятое, электретным капсюлям много и не надо.

Что же делать? К чему знать эту заумь? А к тому, что существует два вида усилителей, способные повысить громкость звука, подключаемые либо к микрофонному, либо к линейному входам. И нужно понимать, какой вариант вам подходит.

1. Встроенные в микрофон, питающиеся от идущего по микрофонному кабелю напряжения. Усиливают сигнал до 10 раз (в децибелах точно не могу сказать), сильно уязвимы для помех.
2. Со внешним питанием от батареек или отдельного блока. Могут усиливать сигнал в 10-1000 раз и подключаются к линейному входу. Шум никуда не исчезает, но относительно полезного сигнала он в сотню раз тише, поэтому, подключив даже дешёвую сторублёвую петличку через усилитель, можно получить качественный звук.

То есть в идеале микрофон нужно подключить через усилитель к линейному входу и всё будет ОК.

Готовые усилители

Дорогие варианты рассматривать не буду, извините. Предполагается, что бюджет предельно ограничен.

Усилители для колонок/наушников не подойдут. Они недостаточно чувствительные, не подают фантомное питание на микрофон, а выходная мощность слишком большая даже для линейного входа.

На Алиэкспресс устройства нужно искать запросами «микрофонный предусилитель» и «предусилитель микрофона». Самые дешёвые варианты стоят полторы-две тысячи рублей. Предназначены для караоке, но, если не выкручивать на полную громкость, можно подключить к линейному входу.

За три тысячи рублей можно найти полноценный предусилитель, к которому еще и музыкальный инструмент подключается. Например, гитара со звукоснимателем.

Для подключения дешёвого компьютерного микрофона понадобится переходник 3.5 мм джек > 6.3 мм джек. У компьютера должен быть линейный вход.

И не стоит забывать про такое чудо, как конденсаторный микрофон BM 800, завоевавший голосовые связки ютуберов, обозревающих товары из китайшопов:

Уточняю: я не рекомендую его к покупке. Не совсем понятно, при каких условиях он нормально работает, слишком уж противоречивы отзывы. Но иногда ВМ 800 можно найти за 300-500 рублей, что не сильно дороже примитивных электретных, зато с предусилителем. Но подключается он к микрофонному входу, а значит - привет, помехи звуковой карты.

Делаем усилитель сами

Сразу предупреждаю: питать от блока питания самодельные микрофонные предусилители нежелательно - придётся городить отдельную схему для фильтрации питания от помех. А батарей хватит надолго и по части питания проблем не будет.

Готовый микрофонный модуль на микросхеме MAX9812

Самый простой вариант - купить микрофонный модуль для Ардуино на микросхеме MAX9812 (70 рублей), кабель (30 рублей), штекер 3,5 мм (15 рублей) и батарейку-таблетку CR-2032 (от 30 рублей). Компоненты обойдутся рублей в 150.

Платку можно превратить в полноценный микрофон, обладая минимальными навыками пайки или попросив спаять тех, кто умеет.

Для сборки схемы чувствительного микрофона нам понадобится:

1. Транзистор BC547 или КТ3102, можно попробовать КТ315.
2. Резисторы R1 и R2 номиналом 1 кОм. Для увеличения чувствительности R1 под капсюль, номиналом от 0,5 – 10 кОм.
4. Дисковый керамический конденсатор номиналом 100-300 пФ. Его можно не включать, если изначально никаких «шипов» или возбуждений усилителя не будет.
5. Электролитический конденсатор 5-100 мкФ (6,3 -16 В).

Первым делом определим полярность подключения микрофона-капсюля. Делается это простой: минус всегда подключен к корпусу. Затем собираем схему, хоть навесным монтажом, хоть на мини плате. Вся чувствительность предварительного усилителя будет зависеть от коэффициента усиления транзистора и подобранного резистора R1. Обычно усилитель собирается и работает сразу, его чувствительности должно хватать с запасом.

Запись сделана на капсюль без схемы предварительного усилителя.

Запись сделана на капсюль со схемы предварительного усилителя.

Разницу видно не вооруженным глазом. Теперь микрофон не обязательно вешать на шею и в него кричать. Можно вполне поставить его на стол и говорить без лишних усилий. Ну а если чувствительность окажется слишком большой, то её всегда можно без проблем убавить настройками в операционной системе.