KAUNO TECHNOLOGIJOS UNIVERSITETAS
Elektroniniø ir matavimo sistemø katedra
Kursinis darbas
Mikrofonai
Kaunas 2005
Turinys
Mikrofonas, pagamintas MEMS technologija, pakeièia elektretus
Akustika (gr. akustikos - klausos, girdëjimo) - viena ið seniausiø fizikos mokslo srièiø, tirianti garso sukëlimà, sklidimà ir sàveikà su medþiaga. Ðiuolaikinis akustikos mokslas apima platø ávairiø temø ratà, taèiau daþniausiai akustika suprantama kaip mokslas apie þmogaus klausos organu - ausimi - girdimø svyravimø (nuo 16 Hz iki 20kHz) ir bangø sklidimà dujose, skysèiuose ir kietuose kûnuose.
Garso bangos savo prigimtimi yra mechaninës bangos, tad joms sklisti reikalinga tam tikra terpë ir jos negali sklisti vakuume. Taigi, atmosferos oras ir yra toji terpë, perduodanti ávairiø ðaltiniø skleidþiamus garsus þmogaus ausiai. Garsas atsiranda terpëje jà dinamiðkai sutrikdþius. Toks trikdis paprastai keièia makroskopinius terpës parametrus - slëgá, tanká, temperatûrà ir t.t. Norint apraðyti garsà, reikia nustatyti ðiø parametrø sàryðius.
Daugumà objektø Þemëje supa oras. Orà sudaro daug labai maþø daleliø (dujø molekuliø), kurios greitai juda atsitiktinëmis kryptimis. Garso bangø generavimà ir sklidimà galima paaiðkinti neatsiþvelgiant á tokius atsitiktinius judesius. Jeigu viena terpës (ðiuo atveju oro) dalelë iðjudinama ið savo pusiausvyros padëties (priartëja prie kitø daleliø), visada atsiranda sàveikos jëga, kuri stengianti gràþinti jà á pusiausvyros padëtá. Todël, kai oras suspaudþiamas ir dalelës artëja viena prie kitos, atsiranda stûmos jëgos, kurios verèia jas vël nutolti. Dalelëms nutolus didesniu nei pusiausvyroje atstumu, aplinkos slëgis jas vël suartina.
Garso bangos yra iðilginës, nes oro dalelës juda iðilgai bangos sklidimo krypties. (Skersinëmis bangomis vadinamos tokios bangos, kuriose dalelës virpa statmenai bangos sklidimo krypèiai). Garso bangà charakterizuoja garso bangos ilgis, daþnis ir greitis. Bangos ilgis - tai atstumas tarp dviejø vienoda faze svyruojanèiø bangos taðkø arba atstumas tarp dviejø artimiausiø suspaudimø (ar iðretëjimø). Daþnis, kuriuo oro dalelës virpa apie savo pusiausvyros padëtis, vadinamas garso bangos daþniu. Garso bangos greièiu vadinamas suspaudimø (ar iðretëjimø) sklidimo terpëje greitis. Pavyzdþiui, garso greitis ore yra lygus 331 m/s, esant 0C temperatûrai.
Garsai skirstomi á tonus ir triukðmus. Tonu vadinamas periodinis harmoninis garsas, kurio amplitudë ir daþnis kinta tolygiai laike. Tonai skirstomi á paprastus (harmoninius) ir sudëtingus. Paprastuosius tonus galima iðgauti kamertonu ar garso generatoriumi, o sudëtinguosius skleidþia muzikos instrumentai, þmogaus kalbos aparatas (balsës).
Triukðmu vadinami patys ávairiausi garsai, kuriø intensyvumas, daþnis, amplitudë netvarkingai kinta laike. Triukðmams priskiriami aplodismentai, girgþdëjimas, maðinø vibracijos, kalbos priebalsës ir pan. Garso tonas charakterizuojamas svyravimø daþniu, amplitude ir forma arba harmoniniu spektru. Garso kaip mechaninës bangos charakteristika yra intensyvumas (garso bangos stipris) I ir garso (akustinis) slëgis p. Garso banga perneða energijà (virpanèiø aplinkos daleliø kinetinës ir potencinës energijø suma), bet neperneða medþiagos (terpës dalelës tik virpa apie savo pusiausvyros padëtis).
Ausies jautrumas leidþia þmogui girdëti 1-3 kHz daþniø diapazone garsà, kurio intensyvumas yra tik 10-12 W/m2. Ði riba vadinama girdimumo slenksèiu. Maksimalus garso intensyvumas, kurá gali priimti þmogaus ausis, yra artimas 1 W/m2. Taigi dinaminis garso signalø priëmimo intensyvumo diapazonas yra labai didelis, jis net virðija regos diapazonà. Praktiniuose uþdaviniuose garso garsis nusakomas garsio lygiu, matuojamu fonais. Tonui, kurio daþnis n = 1 kHz , garsio lygis fonais skaitiðkai lygus garso slëgio lygiui decibelais. Laisvai pasirinktam garsui garsio lygis nustatomas parenkant tokio paties garsumo tonà, kurio daþnis n = 1 kHz. Matuojant garso garsá, signalo trukmë turi virðyti 150 ms. Kad bûtø galima ávertinti harmoninio tono siaurajuosèio triukðmo garsio lygius, naudojamasi suvidurkintomis (pagal daugelá sveikø tiriamøjø þmoniø) vienodo garsio kreivëmis, patvirtintomis tarptautiniu standartu. Jei tam tikro garso garsis yra lygus n fonø, tai reiðkia, kad garsas turi toká patá garsá, kaip ir garsas, kurio daþnis n = 1 kHz , o intensyvumas n decibelø didesnis nei girdimumo slenkstis. Þemo (maþesnio nei 1000 Hz) daþnio garsai esant ðiam garsiui yra didesnio intensyvumo nei aukðtesnio daþnio garsai (1000 - 3000 Hz). Pavyzdþiui, 60 Hz ir 40 dB intensyvumo garsas dar negirdimas. Ðnabþdesio garsio lygis yra apie 10 - 20 fonø, laikrodþiø tiksëjimo - 20 - 30 fonø, kalbos - 40 - 50 fonø, garsios kalbos - 70 - 80 fonø, o lëktuvo variklio - apie 100 - 110 fonø. Girdimumo ribà dideliø intensyvumø srityje lemià skausmo slenksèiø egzistavimas. Skausmo slenksèiai maþai priklauso nuo garso daþnio ir yra apie 120 - 130 dB. Þmogaus vidutinë diferencinë garso garsio geba yra apie 1 fonà. Kai yra klausos patologija, ji gali keistis.
1 lentelë. Ávairûs garsai ir jø charakteristikos (1000 Hz)
|
Garso lygis (garsis), dB |
Garso intensyvumas, W/cm2 |
Garso slëgis, N/m2 |
|
|
Girdos slenkstis | |||
|
Ðirdies ûþesiai | |||
|
Ðnabþdesys (1m atstumu) | |||
|
Normali kalba | |||
|
Garsi kalba | |||
|
Gatvës triukðmas | |||
|
Lëktuvo variklio triukðmas | |||
|
Skausmo riba |
Kadangi þmogus turi dvi ausis, ðie du klausos organai jam leidþia nustatyti garso kryptá. Þemesniø nei 300 Hz garsø lokalizacija neryðki ir praktiðkai galima tik dël garsø obertonø. 300 - 800 Hz garso daþniams pagal uþlaikymo trukmæ ausis pajëgi atskirti faziø skirtumà kairiojoje ir deðiniojoje ausyse. Akivaizdu, kad kuo didesnë ðio uþlaikymo vertë, tuo didesná kampà sudaro garso ðaltinio kryptis su vidutine galvos linija. Átakos turi ir ekranuojantis galvos poveikis, nes galvos skersmuo yra artimas ðiø daþniø bangos ilgiui. Esant didesniems daþniams, dël garso "ðeðëlio" aplink þmogaus galvà garso intensyvumo skirtumai gali sudaryti 30 dB. Apskritai þmogaus klausos organas leidþia nustatyti garso ðaltinio kryptá 1 - 4o tikslumu. Gebëjimas lokalizuoti garso ðaltiná kinta esant ávairiai klausos patologijai. Tai panaudojama klinikinëje audiometrijoje kurtumo formø diferencinei diagnostikai. Þmogus vidutinio jautrumo ausimi negirdi garsø, þemesniø nei 16 Hz ir aukðtesniø nei 20 kHz. Apatinë ir virðutinë ribos nëra tiksliai apibrëþtos. Þmogui senstant, sumaþëja virðutinë girdimø garsø riba. Nedaugelis penkiasdeðimtmeèiø girdi 14 - 16 kHz daþnio garsus.
Garso signalams transformuoti á elektrinius signalus technikoje naudojami mikrofonai (gr. mikro - maþas ir phone - garsas). Paprasèiausias ir labiausiai paplitæs mikrofonas - anglinis, naudojamas áprastame telefono ragelyje. Jautriojo elemento vaidmená èia atlieka kapsulë su anglies milteliais ir diafragma, prijungta prie pastovios átampos. Metalinë diafragma, veikiama garso slëgio, slegia anglies miltelius. Suslëgtø anglies milteliø grûdeliø elektrinë varþa sumaþëja. Kai membrana nebespaudþia, milteliø varþa vël atsistato. Taip pagal diafragmos virpëjimo taktà kinta ir srovës stipris mikrofono grandinëje. Iðeinantis kintamosios srovës signalas gali bûti iðskirtas transformatoriumi, kurio pirminë apvija ájungta á mikrofono grandinæ. Anglies mikrofono daleliø kuriamø daþniø diapazonas nëra platus - nuo ðimtø Hz iki keliø kHz, taèiau jo pakanka kalbai suvokti.
Praktiðkai visuose mikrofonuose yra judantis elementas (diafragma, membrana), galintis svyruoti veikiant garso slëgiui ir atlikti mechaninæ-elektrinæ transformacijà. Mikrofono sudëtyje yra ir kiti jo praktiniam naudojimui bûtini elementai: transformatoriai, stiprintuvai ir t.t. Pagal mechaninës-elektrinës transformacijos principà mikrofonai skirstomi á induktyviuosius, talpinius, pjezoelektrinius ir t.t. Bene plaèiausiai taikomi induktyvieji mikrofonai, kuriuose virpant membranai magnetinis laukas kinta per specialià ritæ, esanèià ðalia tos membranos. Dël elektromagnetinës indukcijos ritës iðvadose indukuojama EVJ, kurios dydis priklauso nuo garso slëgio kitimo pobûdþio.
Tarp matavimui skirtø mikrofonø ypaè aukðtomis akustinëmis-elektrinëmis charakteristikomis iðsiskiria kondensatoriniai mikrofonai, kuriuose judanti membrana yra kondensatoriaus plokðtelë. Antràjà plokðtelæ atitinka nejudantis elektrodas su skylëmis ir ádubimais, reikalingais transformacijos tiesiðkumui uþtikrinti. Veikiant garso slëgiui ir atitinkamiems membranos svyravimams, kondensatoriaus talpa kinta, ir per apkrovos varþà , veikiant pastovios átampos ðaltiniui, teka ásikrovimo-iðsikrovimo srovë, sukurianti varþoje átampà, pagal formà atkartojanèià garso signalà. Dël maþos membranos masës ir maþo jos storio (3-10 mm), kondensatorinio mikrofono daþniø diapazonas gali bûti nuo keliø Hz iki 150 kHz ir daugiau, esant tolygiai daþninei charakteristikai. Jø jautris garso diapazone ~ 10 mV/Pa, o dinaminis diapazonas pasiekia 130 dB. Kondensatoriniø mikrofonø kapsulë gali bûti maþesnë nei 10 mm. Todël miniatiûriniai kondensatoriniai mikrofonai yra pagrindiniai garso imtuvai matavimams oro terpëje.
Garsios firmos "Sennheiser" filialo Vokietijoje specialistai sukûrë mikrofono, kuriame nëra jokios membranos, prototipà. Berlyne vykusiame akustikø kongrese firmos atstovai pasakë, kad naujojo prietaiso gamyba turëtø bûti labai pigi, o jis pats gerai tiks telefono aparatams.
Naujasis mikrofonas yra maþesnis uþ smeigtuko galvutæ; já tesudaro dvi plonytës platinos vielytës. Abi vielytës yra kaitinamos ir yra viena nuo kitos nutolusios maþdaug per ðimtàjà milimetro dalá. Tuomet, kai netoliese yra kalbama, garso bangos trumpam atauðina vielytes ir jø elektrinë varþa sumaþëja. Taigi garso bangos yra verèiamos maþais varþos pokyèiais, kurie vëliau yra apdorojami elektroninëje schemoje. Tradiciniuose mikrofonuose garso bangas elektros signalais verèia virpanti membrana.
"Sennheiser" mikrofonuose nebus jokiø judanèiø mechaniniø daliø. Jie bûtø gaminami naudojant standartinæ mikroelektronikos technologijà, todël masinë gamyba turëtø bûti ypaè nebrangi. Tokiuos mikrofonus netgi bus galima tiesiog integruoti á mikroschemas. Aiðku, ðie miniatiûriniai mikrofonai kokybiðkai registruotø tik gana ribotos daþniø juostos garso signalus, todël inþinieriai pirmiausiai planuoja panaudoti juos telefono aparatuose, kuriems ypaè aukðta garso kokybë nëra bûtina.
Mikrofonai ið elektretø yra naudojami jau 30 metø. Juos sudaro nuostovia átampa maitinamas kondensatorius. Elektretø savybës jautrios temperatûrai, todël tokiuos mikrofonus sudëtinga álituoti reikiamame grandyne. Firma Knowles Acoustics sukûrë visiðkai naujo tipo mikrofonus (1 pav.). Jie ir labai maþi, ir gali atlaikyti aukðtas temperatûras, todël juos surenkant galima naudoti pavirðinio montaþo technologijas.
1 pav. MEMS mikrofonas sumontuotas mobiliajame telefone.
Mikrofono membrana yra daroma ið polikristalinio silicio naudojant tradiciniais silicio procesais paremtà MEMS (mikro-elektro-mechaninës-sistemos) technologija. Pati membrana yra 2,5x2,5 mm dydþio. Kartu su stiprinimo grandynu bei ryðio kondensatoriumi ji telpa 6,15x3,76x1,5 mm dydþio modulyje. Yra netgi maþesnis variantas (4,72x3,76x1,5 mm), kuriame kondensatorius yra integruotas kartu su rezonatoriumi. Pats rezonatorius irgi yra ypatingas: já sudaro trys dvipusio FR4 laminato sluoksniai. Visà dariná galima sumontuoti nenaudojant ðvino pavirðinio litavimo technologija.
Bet kokio audio signalo kelias studijose prasideda nuo mikrofono. Kadangi nuo pirmojo mikrofono iðradimo praëjo daugiau kaip 100 metø, dabar jø turime daugybæ tipø ir modeliø. Taèiau kiekvienas, su audiotechnika profesionaliai susijæs þmogus þino, kad geriau nei lempinis mikrofonas tegali bûti tik kitas lempinis mikrofonas. Lempinës technologijos dabar pergyvena savo renesansà, o gamintojai stengiasi atkurti bûtent geriausiø senøjø modeliø skambesá ir galimybes. Rimtos áraðø studijos uþ pasakiðkus pinigus stengiasi ásigyti bûtent senøjø modeliø originalius mikrofonus. Neseniai EMI studijos aukcione ásigijo senoviná Telefunken ELA M 251 mikrofonà uþ 18000$. Ir pirko, þinoma, ne kaip studijos puoðmenà, bet rimtam darbui, nes aukso amþiaus mikrofonams po ðiai dienai nëra lygiø.
Ðiuolaikiniai studijiniai mikrofonai nuëjo ne taip jau ir toli nuo savo 1940 - 1950 metø prototipø. Dar dabar geriausiu komplimentu ðiuolaikiniam mikrofonui laikomas pasakymas "skamba kaip toks ir toks keturiasdeðimtøjø metø mikrofonas". Todël panagrinëkime keletà ðios srities vieno ið lyderiø, firmos NEUMANN mikrofonø.
Kompanija Georg Neumann & Co. buvo ákurta 1928 metais Berlyne. Tada buvo pagamintas pirmasis firmos mikrofonas CMV-3. Jau jame buvo pirmà kartà panaudota labai paþangi technologija, be dideliø pakeitimø naudojama ir ðiandien. Jo kapsulëje buvo panaudota polivinilchloridinë 16 mikronø storio membrana. Tokio storio plëvelë buvo gaminama iðpilant iðlydytà polivinilchloridà ant vandens pavirðiaus, kur ji ir sustingdavo. Ji bûdavo iðgriebiama, dþiovinama ir padengiama 2 mikronø aukso sluoksniu. Kiekvienà kartà gaudavosi kiek skirtingo storio plëvelë, todël nerasime dviejø absoliuèiai vienodø mikrofonø. Galutinis derinimas bûdavo atliekamas parenkant kitus kapsulës elementus. Tai greièiau jau ne gamyba, o menas.
Po karo buvo pradëtas kurti naujo tipo mikrofonas, kuris bûtø pigesnis nei CMV-3 ir skambëtø neblogiau. Buvo sukurta lempa VF 14, apie kurios muzikines savybes eina legendos. Jai uþteko 36V maitinimo átampos, ji pasiþymëjo nepaprastu ilgaamþiðkumu (yra dar dabar veikianèiø egzemplioriø) ir labai maþais triukðmais. Ði lempa komplekte su nauja kapsule ir unikaliu iðëjimo transformatoriumi davë kombinacijà, lygiø kuriai nëra ir dabar. Taip gimë garsusis Neumann U 47.
Jis turëjo dvi krypties diagramas: kardioidæ ir apskritimà. Tuo metu tai nebuvo pats brangiausias mikrofonas, kas irgi nemaþai prisidëjo prie jo populiarumo. Firma Mercury Records dëdavo ðio mikrofono nuotraukà ant savo plokðteliø vokø, o Frenkas Sinatra iðvis atsisakydavo daryti áraðus su kitokiais mikrofonais.
2 pav. Lempiniai mikrofonai
Kaip matome nuotraukoje, ðis mikrofonas turi savo atskirà maitinimo ðaltiná dëþutëje su dviem jungtimis. Toje dëþutëje buvo talpinamas ir unikalusis iðëjimo transformatorius. Taèiau, prasidëjus lakstanèiø po scenà atlikëjø erai, jiems pradëjo trukdyti po kojomis besimaiðantis maitinimo ðaltinis. Firma atkreipë á tai dëmesá ir sukûrë naujà modelá be ðios dëþutës. Maitinimas buvo paduotas tuo paèiu mikrofoniniu kabeliu, bet tai privertë signalo grandinëje ádëti elektrolitiná kondensatoriø, o transformatoriaus iðvis atsisakyti. Po ðios "modernizacijos" mikrofonai skyrësi kaip diena ir naktis. O dabar skiriasi ir jø kainos: jei senoji modifikacija rinkoje kainuoja apie 7000$, tai naujos modifikacijos sukasi apie 2000$. Ðais laikais visos rimtos studijos simfoninæ ir kamerinæ muzikà teberaðo bûtent garsiaisiais Neumann U 47 mikrofonais. Jie yra kaip Stradivarijai tarp mikrofonø.
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
|
