KAUNO TECHNOLOGIJOS UNIVERSITETAS
Elektroninių ir matavimo sistemų katedra
Kursinis darbas
Mikrofonai
Kaunas 2005
Turinys
Mikrofonas, pagamintas MEMS technologija, pakeičia elektretus
Akustika (gr. akustikos - klausos, girdėjimo) - viena iš seniausių fizikos mokslo sričių, tirianti garso sukėlimą, sklidimą ir sąveiką su medžiaga. Šiuolaikinis akustikos mokslas apima platų įvairių temų ratą, tačiau dažniausiai akustika suprantama kaip mokslas apie žmogaus klausos organu - ausimi - girdimų svyravimų (nuo 16 Hz iki 20kHz) ir bangų sklidimą dujose, skysčiuose ir kietuose kūnuose.
Garso bangos savo prigimtimi yra mechaninės bangos, tad joms sklisti reikalinga tam tikra terpė ir jos negali sklisti vakuume. Taigi, atmosferos oras ir yra toji terpė, perduodanti įvairių šaltinių skleidžiamus garsus žmogaus ausiai. Garsas atsiranda terpėje ją dinamiškai sutrikdžius. Toks trikdis paprastai keičia makroskopinius terpės parametrus - slėgį, tankį, temperatūrą ir t.t. Norint aprašyti garsą, reikia nustatyti šių parametrų sąryšius.
Daugumą objektų Žemėje supa oras. Orą sudaro daug labai mažų dalelių (dujų molekulių), kurios greitai juda atsitiktinėmis kryptimis. Garso bangų generavimą ir sklidimą galima paaiškinti neatsižvelgiant į tokius atsitiktinius judesius. Jeigu viena terpės (šiuo atveju oro) dalelė išjudinama iš savo pusiausvyros padėties (priartėja prie kitų dalelių), visada atsiranda sąveikos jėga, kuri stengianti grąžinti ją į pusiausvyros padėtį. Todėl, kai oras suspaudžiamas ir dalelės artėja viena prie kitos, atsiranda stūmos jėgos, kurios verčia jas vėl nutolti. Dalelėms nutolus didesniu nei pusiausvyroje atstumu, aplinkos slėgis jas vėl suartina.
Garso bangos yra išilginės, nes oro dalelės juda išilgai bangos sklidimo krypties. (Skersinėmis bangomis vadinamos tokios bangos, kuriose dalelės virpa statmenai bangos sklidimo krypčiai). Garso bangą charakterizuoja garso bangos ilgis, dažnis ir greitis. Bangos ilgis - tai atstumas tarp dviejų vienoda faze svyruojančių bangos taškų arba atstumas tarp dviejų artimiausių suspaudimų (ar išretėjimų). Dažnis, kuriuo oro dalelės virpa apie savo pusiausvyros padėtis, vadinamas garso bangos dažniu. Garso bangos greičiu vadinamas suspaudimų (ar išretėjimų) sklidimo terpėje greitis. Pavyzdžiui, garso greitis ore yra lygus 331 m/s, esant 0C temperatūrai.
Garsai skirstomi į tonus ir triukšmus. Tonu vadinamas periodinis harmoninis garsas, kurio amplitudė ir dažnis kinta tolygiai laike. Tonai skirstomi į paprastus (harmoninius) ir sudėtingus. Paprastuosius tonus galima išgauti kamertonu ar garso generatoriumi, o sudėtinguosius skleidžia muzikos instrumentai, žmogaus kalbos aparatas (balsės).
Triukšmu vadinami patys įvairiausi garsai, kurių intensyvumas, dažnis, amplitudė netvarkingai kinta laike. Triukšmams priskiriami aplodismentai, girgždėjimas, mašinų vibracijos, kalbos priebalsės ir pan. Garso tonas charakterizuojamas svyravimų dažniu, amplitude ir forma arba harmoniniu spektru. Garso kaip mechaninės bangos charakteristika yra intensyvumas (garso bangos stipris) I ir garso (akustinis) slėgis p. Garso banga perneša energiją (virpančių aplinkos dalelių kinetinės ir potencinės energijų suma), bet neperneša medžiagos (terpės dalelės tik virpa apie savo pusiausvyros padėtis).
Ausies jautrumas leidžia žmogui girdėti 1-3 kHz dažnių diapazone garsą, kurio intensyvumas yra tik 10-12 W/m2. Ši riba vadinama girdimumo slenksčiu. Maksimalus garso intensyvumas, kurį gali priimti žmogaus ausis, yra artimas 1 W/m2. Taigi dinaminis garso signalų priėmimo intensyvumo diapazonas yra labai didelis, jis net viršija regos diapazoną. Praktiniuose uždaviniuose garso garsis nusakomas garsio lygiu, matuojamu fonais. Tonui, kurio dažnis n = 1 kHz , garsio lygis fonais skaitiškai lygus garso slėgio lygiui decibelais. Laisvai pasirinktam garsui garsio lygis nustatomas parenkant tokio paties garsumo toną, kurio dažnis n = 1 kHz. Matuojant garso garsį, signalo trukmė turi viršyti 150 ms. Kad būtų galima įvertinti harmoninio tono siaurajuosčio triukšmo garsio lygius, naudojamasi suvidurkintomis (pagal daugelį sveikų tiriamųjų žmonių) vienodo garsio kreivėmis, patvirtintomis tarptautiniu standartu. Jei tam tikro garso garsis yra lygus n fonų, tai reiškia, kad garsas turi tokį patį garsį, kaip ir garsas, kurio dažnis n = 1 kHz , o intensyvumas n decibelų didesnis nei girdimumo slenkstis. Žemo (mažesnio nei 1000 Hz) dažnio garsai esant šiam garsiui yra didesnio intensyvumo nei aukštesnio dažnio garsai (1000 - 3000 Hz). Pavyzdžiui, 60 Hz ir 40 dB intensyvumo garsas dar negirdimas. Šnabždesio garsio lygis yra apie 10 - 20 fonų, laikrodžių tiksėjimo - 20 - 30 fonų, kalbos - 40 - 50 fonų, garsios kalbos - 70 - 80 fonų, o lėktuvo variklio - apie 100 - 110 fonų. Girdimumo ribą didelių intensyvumų srityje lemią skausmo slenksčių egzistavimas. Skausmo slenksčiai mažai priklauso nuo garso dažnio ir yra apie 120 - 130 dB. Žmogaus vidutinė diferencinė garso garsio geba yra apie 1 foną. Kai yra klausos patologija, ji gali keistis.
1 lentelė. Įvairūs garsai ir jų charakteristikos (1000 Hz)
|
Garso lygis (garsis), dB |
Garso intensyvumas, W/cm2 |
Garso slėgis, N/m2 |
|
|
Girdos slenkstis | |||
|
Širdies ūžesiai | |||
|
Šnabždesys (1m atstumu) | |||
|
Normali kalba | |||
|
Garsi kalba | |||
|
Gatvės triukšmas | |||
|
Lėktuvo variklio triukšmas | |||
|
Skausmo riba |
Kadangi žmogus turi dvi ausis, šie du klausos organai jam leidžia nustatyti garso kryptį. Žemesnių nei 300 Hz garsų lokalizacija neryški ir praktiškai galima tik dėl garsų obertonų. 300 - 800 Hz garso dažniams pagal užlaikymo trukmę ausis pajėgi atskirti fazių skirtumą kairiojoje ir dešiniojoje ausyse. Akivaizdu, kad kuo didesnė šio užlaikymo vertė, tuo didesnį kampą sudaro garso šaltinio kryptis su vidutine galvos linija. Įtakos turi ir ekranuojantis galvos poveikis, nes galvos skersmuo yra artimas šių dažnių bangos ilgiui. Esant didesniems dažniams, dėl garso "šešėlio" aplink žmogaus galvą garso intensyvumo skirtumai gali sudaryti 30 dB. Apskritai žmogaus klausos organas leidžia nustatyti garso šaltinio kryptį 1 - 4o tikslumu. Gebėjimas lokalizuoti garso šaltinį kinta esant įvairiai klausos patologijai. Tai panaudojama klinikinėje audiometrijoje kurtumo formų diferencinei diagnostikai. Žmogus vidutinio jautrumo ausimi negirdi garsų, žemesnių nei 16 Hz ir aukštesnių nei 20 kHz. Apatinė ir viršutinė ribos nėra tiksliai apibrėžtos. Žmogui senstant, sumažėja viršutinė girdimų garsų riba. Nedaugelis penkiasdešimtmečių girdi 14 - 16 kHz dažnio garsus.
Garso signalams transformuoti į elektrinius signalus technikoje naudojami mikrofonai (gr. mikro - mažas ir phone - garsas). Paprasčiausias ir labiausiai paplitęs mikrofonas - anglinis, naudojamas įprastame telefono ragelyje. Jautriojo elemento vaidmenį čia atlieka kapsulė su anglies milteliais ir diafragma, prijungta prie pastovios įtampos. Metalinė diafragma, veikiama garso slėgio, slegia anglies miltelius. Suslėgtų anglies miltelių grūdelių elektrinė varža sumažėja. Kai membrana nebespaudžia, miltelių varža vėl atsistato. Taip pagal diafragmos virpėjimo taktą kinta ir srovės stipris mikrofono grandinėje. Išeinantis kintamosios srovės signalas gali būti išskirtas transformatoriumi, kurio pirminė apvija įjungta į mikrofono grandinę. Anglies mikrofono dalelių kuriamų dažnių diapazonas nėra platus - nuo šimtų Hz iki kelių kHz, tačiau jo pakanka kalbai suvokti.
Praktiškai visuose mikrofonuose yra judantis elementas (diafragma, membrana), galintis svyruoti veikiant garso slėgiui ir atlikti mechaninę-elektrinę transformaciją. Mikrofono sudėtyje yra ir kiti jo praktiniam naudojimui būtini elementai: transformatoriai, stiprintuvai ir t.t. Pagal mechaninės-elektrinės transformacijos principą mikrofonai skirstomi į induktyviuosius, talpinius, pjezoelektrinius ir t.t. Bene plačiausiai taikomi induktyvieji mikrofonai, kuriuose virpant membranai magnetinis laukas kinta per specialią ritę, esančią šalia tos membranos. Dėl elektromagnetinės indukcijos ritės išvadose indukuojama EVJ, kurios dydis priklauso nuo garso slėgio kitimo pobūdžio.
Tarp matavimui skirtų mikrofonų ypač aukštomis akustinėmis-elektrinėmis charakteristikomis išsiskiria kondensatoriniai mikrofonai, kuriuose judanti membrana yra kondensatoriaus plokštelė. Antrąją plokštelę atitinka nejudantis elektrodas su skylėmis ir įdubimais, reikalingais transformacijos tiesiškumui užtikrinti. Veikiant garso slėgiui ir atitinkamiems membranos svyravimams, kondensatoriaus talpa kinta, ir per apkrovos varžą , veikiant pastovios įtampos šaltiniui, teka įsikrovimo-išsikrovimo srovė, sukurianti varžoje įtampą, pagal formą atkartojančią garso signalą. Dėl mažos membranos masės ir mažo jos storio (3-10 mm), kondensatorinio mikrofono dažnių diapazonas gali būti nuo kelių Hz iki 150 kHz ir daugiau, esant tolygiai dažninei charakteristikai. Jų jautris garso diapazone ~ 10 mV/Pa, o dinaminis diapazonas pasiekia 130 dB. Kondensatorinių mikrofonų kapsulė gali būti mažesnė nei 10 mm. Todėl miniatiūriniai kondensatoriniai mikrofonai yra pagrindiniai garso imtuvai matavimams oro terpėje.
Garsios firmos "Sennheiser" filialo Vokietijoje specialistai sukūrė mikrofono, kuriame nėra jokios membranos, prototipą. Berlyne vykusiame akustikų kongrese firmos atstovai pasakė, kad naujojo prietaiso gamyba turėtų būti labai pigi, o jis pats gerai tiks telefono aparatams.
Naujasis mikrofonas yra mažesnis už smeigtuko galvutę; jį tesudaro dvi plonytės platinos vielytės. Abi vielytės yra kaitinamos ir yra viena nuo kitos nutolusios maždaug per šimtąją milimetro dalį. Tuomet, kai netoliese yra kalbama, garso bangos trumpam ataušina vielytes ir jų elektrinė varža sumažėja. Taigi garso bangos yra verčiamos mažais varžos pokyčiais, kurie vėliau yra apdorojami elektroninėje schemoje. Tradiciniuose mikrofonuose garso bangas elektros signalais verčia virpanti membrana.
"Sennheiser" mikrofonuose nebus jokių judančių mechaninių dalių. Jie būtų gaminami naudojant standartinę mikroelektronikos technologiją, todėl masinė gamyba turėtų būti ypač nebrangi. Tokiuos mikrofonus netgi bus galima tiesiog integruoti į mikroschemas. Aišku, šie miniatiūriniai mikrofonai kokybiškai registruotų tik gana ribotos dažnių juostos garso signalus, todėl inžinieriai pirmiausiai planuoja panaudoti juos telefono aparatuose, kuriems ypač aukšta garso kokybė nėra būtina.
Mikrofonai iš elektretų yra naudojami jau 30 metų. Juos sudaro nuostovia įtampa maitinamas kondensatorius. Elektretų savybės jautrios temperatūrai, todėl tokiuos mikrofonus sudėtinga įlituoti reikiamame grandyne. Firma Knowles Acoustics sukūrė visiškai naujo tipo mikrofonus (1 pav.). Jie ir labai maži, ir gali atlaikyti aukštas temperatūras, todėl juos surenkant galima naudoti paviršinio montažo technologijas.
1 pav. MEMS mikrofonas sumontuotas mobiliajame telefone.
Mikrofono membrana yra daroma iš polikristalinio silicio naudojant tradiciniais silicio procesais paremtą MEMS (mikro-elektro-mechaninės-sistemos) technologija. Pati membrana yra 2,5x2,5 mm dydžio. Kartu su stiprinimo grandynu bei ryšio kondensatoriumi ji telpa 6,15x3,76x1,5 mm dydžio modulyje. Yra netgi mažesnis variantas (4,72x3,76x1,5 mm), kuriame kondensatorius yra integruotas kartu su rezonatoriumi. Pats rezonatorius irgi yra ypatingas: jį sudaro trys dvipusio FR4 laminato sluoksniai. Visą darinį galima sumontuoti nenaudojant švino paviršinio litavimo technologija.
Bet kokio audio signalo kelias studijose prasideda nuo mikrofono. Kadangi nuo pirmojo mikrofono išradimo praėjo daugiau kaip 100 metų, dabar jų turime daugybę tipų ir modelių. Tačiau kiekvienas, su audiotechnika profesionaliai susijęs žmogus žino, kad geriau nei lempinis mikrofonas tegali būti tik kitas lempinis mikrofonas. Lempinės technologijos dabar pergyvena savo renesansą, o gamintojai stengiasi atkurti būtent geriausių senųjų modelių skambesį ir galimybes. Rimtos įrašų studijos už pasakiškus pinigus stengiasi įsigyti būtent senųjų modelių originalius mikrofonus. Neseniai EMI studijos aukcione įsigijo senovinį Telefunken ELA M 251 mikrofoną už 18000$. Ir pirko, žinoma, ne kaip studijos puošmeną, bet rimtam darbui, nes aukso amžiaus mikrofonams po šiai dienai nėra lygių.
Šiuolaikiniai studijiniai mikrofonai nuėjo ne taip jau ir toli nuo savo 1940 - 1950 metų prototipų. Dar dabar geriausiu komplimentu šiuolaikiniam mikrofonui laikomas pasakymas "skamba kaip toks ir toks keturiasdešimtųjų metų mikrofonas". Todėl panagrinėkime keletą šios srities vieno iš lyderių, firmos NEUMANN mikrofonų.
Kompanija Georg Neumann & Co. buvo įkurta 1928 metais Berlyne. Tada buvo pagamintas pirmasis firmos mikrofonas CMV-3. Jau jame buvo pirmą kartą panaudota labai pažangi technologija, be didelių pakeitimų naudojama ir šiandien. Jo kapsulėje buvo panaudota polivinilchloridinė 16 mikronų storio membrana. Tokio storio plėvelė buvo gaminama išpilant išlydytą polivinilchloridą ant vandens paviršiaus, kur ji ir sustingdavo. Ji būdavo išgriebiama, džiovinama ir padengiama 2 mikronų aukso sluoksniu. Kiekvieną kartą gaudavosi kiek skirtingo storio plėvelė, todėl nerasime dviejų absoliučiai vienodų mikrofonų. Galutinis derinimas būdavo atliekamas parenkant kitus kapsulės elementus. Tai greičiau jau ne gamyba, o menas.
Po karo buvo pradėtas kurti naujo tipo mikrofonas, kuris būtų pigesnis nei CMV-3 ir skambėtų neblogiau. Buvo sukurta lempa VF 14, apie kurios muzikines savybes eina legendos. Jai užteko 36V maitinimo įtampos, ji pasižymėjo nepaprastu ilgaamžiškumu (yra dar dabar veikiančių egzempliorių) ir labai mažais triukšmais. Ši lempa komplekte su nauja kapsule ir unikaliu išėjimo transformatoriumi davė kombinaciją, lygių kuriai nėra ir dabar. Taip gimė garsusis Neumann U 47.
Jis turėjo dvi krypties diagramas: kardioidę ir apskritimą. Tuo metu tai nebuvo pats brangiausias mikrofonas, kas irgi nemažai prisidėjo prie jo populiarumo. Firma Mercury Records dėdavo šio mikrofono nuotrauką ant savo plokštelių vokų, o Frenkas Sinatra išvis atsisakydavo daryti įrašus su kitokiais mikrofonais.
2 pav. Lempiniai mikrofonai
Kaip matome nuotraukoje, šis mikrofonas turi savo atskirą maitinimo šaltinį dėžutėje su dviem jungtimis. Toje dėžutėje buvo talpinamas ir unikalusis išėjimo transformatorius. Tačiau, prasidėjus lakstančių po sceną atlikėjų erai, jiems pradėjo trukdyti po kojomis besimaišantis maitinimo šaltinis. Firma atkreipė į tai dėmesį ir sukūrė naują modelį be šios dėžutės. Maitinimas buvo paduotas tuo pačiu mikrofoniniu kabeliu, bet tai privertė signalo grandinėje įdėti elektrolitinį kondensatorių, o transformatoriaus išvis atsisakyti. Po šios "modernizacijos" mikrofonai skyrėsi kaip diena ir naktis. O dabar skiriasi ir jų kainos: jei senoji modifikacija rinkoje kainuoja apie 7000$, tai naujos modifikacijos sukasi apie 2000$. Šais laikais visos rimtos studijos simfoninę ir kamerinę muziką teberašo būtent garsiaisiais Neumann U 47 mikrofonais. Jie yra kaip Stradivarijai tarp mikrofonų.
J. R. Hassall, M. Sc., K. Zaveri, M. Phil Acoustic Noise Measurements. 1979
Garsas, Infragarsas https://www.ff.vu.lt/biophotonics/knyga3/knyga1_7.html
Audiometrija https://www.ff.vu.lt/biophotonics/knyga3/knyga1_8.html
Lempiniai mikrofonai https://www.elektronika.lt/reviews/theme/153/383/
MEMS technologija https://www.rtn.lt/mi/0501/mems.html
Mikrofonas be membranos https://www.rtn.lt/rtn/9902/elektro5.html
|
