Microfoane Dintre sursele de semnal enumerate mai sus microfoanele ocupa un loc de frunte. Ele sunt singurele aparate electroacustice capabile sa capteze oscilatiile sonore naturale, din care motiv sunt denumite si surse de semnal primare. Microfoanele capteaza semnalele produse in spatiul inconjurator transformand oscilatiile acustice (mecanice) in oscilatii electrice, obtinandu –se la bornele acestora semnale electrice de audiofrecventa. Ele se pot clasifica dupa mai multe criterii : din punct de vedere al principiului constructiv dupa principiul de functionare dupa tipul constructiv dupa caracteristicile de directivitate dupa dependenta de iesire Din punct de vedere al principiului constructiv intalnim doua tipuri de microfoane. Microfoanele cu carbune utilizate in telefonie, care functioneaza pe principiul comandarii unei surse de curent continuu si microfoanele utilizate in electrostatica, functionand pe principiul transformarii energiei . Dupa principiul de functionare intalnim: microfoane cu rezistenta variabila, electrodinamice, electromagnetice si piezoelectrice. Acestea la randul lor se pot clasifica din punct de vedere constructiv : Microfoane cu rezistenta variabila microfoane cu carbune Electrodinamice microfoane cu bobina mobila microfoane cu banda Electroacustice microfoane condensator microfoane cu electret Piezoelectrice microfoane cu cristal Dupa caracteristica de directivitate intalnim microfoane cu caracteristica de directivitate simpla si microfoane cu caracteristica de directivitate compusa. Dupa impedanta de iesire se disting doua tipuri de microfoane de impedanta mica si de impedanta mare. Microfoanele din primul tip au impedanta de 50Ω, 150 Ω, 200-500 Ω ; microfoanele din al doilea tip au impedanta cuprinsa intre 20K Ω-50K Ω. 5. Caracteristici electrice si acustice ale microfoanelor Cele mai importante caracteristici electrice care influenteaza esential calitatea transmisiunilor sonore sunt: sensibilitatea, caracteristica de frecventa, distorsiunile, zgomotul propriu si impedanta de iesire. Directivitatea Pentru a se putea analiza in mod unitar transformarea de catre diferite microfoane a oscilatiilor acustice in semnale electrice este util a se stabili o caracteristica, prin care sa se exprime sensibilitatea in functie de frecventa si directia din spatiu a oscilatiilor acustice. Caracteristica se numeste caracteristica de directivitate si este trasata grafic prin diagrame de directivitate(fig. 3). Fig. 3 Caracteristici de directivitate Caracteristicile de directivitate sunt de trei feluri : de forma circulara de forma cardiodei de forma cifrei opt sau dublu sferica Sensibilitatea este calitatea microfonului de a transforma cat mai eficient energia acustica in energie electrica. Ea se exprima cantitativ prin raportul dintre valoarea tensiunii efective U, obtinuta la bornele microfonului si valoare presiunii acustice P ce se exercita asupra microfonului: S= Caracteristica de frecventa sau raspunsul microfonului reprezinta nivelul tensiunii la bornele microfonului in functie de frecventa, la aplicarea unei oscilatii acustice de intensitate constanta. Ea se prezinta grafic, in abscisa avand frecventa(scara este de regula logaritmica), iar in ordonata nivelul tensiunii la bornele microfonului(in general exprimata in dB). Caracteristica unui microfon pentru voce este data in fig. 4. Fig.4 Caracteristica unui microfon pentru voce Neuniformitatea caracteristicii de frecventa reprezinta valorile extreme (maxima si minima) a tensiunii date de microfon in raport cu tensiunea de referinta. Ca nivel de referinta se considera nivelul debitat de microfon la frecventa de 1KHz si un nivel acustic de 30dB . Valorile admisibile ale abaterii caracteristicii de frecventa sunt date in prospectul microfonului si ele depind de calitatea acestuia. Distorsiunile neliniare pot afecta in mod neplacut auditia. Ele apar datorita deformarii formei sinusoidale a semnalului, deformari ce duc la aparitia armonicilor. Urechea umana este sensibila la distorsiunile neliniare, pe care la 2% le sesizeaza. Distorsiunile mai mari de 10% fac auditia neplacuta. In tehnica moderna a microfoanelor s-au obtinut distorsiuni sub 0,5% in banda de 20-20000Hz(cazul microfoanelor HI-FI pentru studiouri) (fig.4). Raportul semnal/zgomot este parametrul care pune in evidenta zgomotul propriu al microfonului. El reprezinta raportul dintre tensiunea utila si cea de zgomot pentru o presiune acustica stabilita. Ea se exprima in dB. In cazul microfoanelor de calitate se obtine la o presiune de1µbar raportul semnal/zgomot de 60dB (adica de 1000 de ori). Rezistenta interna a microfoanelor depinde de principiul de functionare si de tipul constructiv al acestora. In majoritatea cazurilor, rezistenta interna este chiar impedanta de iesire a microfonului. De valoarea rezistentei interne depinde si nivelul tensiunii de zgomot. Se stie ca la o rezistenta mica, zgomotul este scazut. De aceea se prefera microfoane cu rezistenta interna mica. La acestea se pot conecta si cabluri de legatura mai lungi fara a afecta calitatea semnalului. 6. Microfonul cu bobina mobila Microfonul dinamic cu bobina mobila este compus dintr-un magnet permanent, o bobina circulara mobila si o membrana realizata din mase plastice(fig. 5). Fig. 5 Microfonul dinamic; M─magnet permanent; B─bobina mobila; D─membrana; Fata membranei este in contact direct cu masa de aer. In spatele membranei este fixata o bobina cilindrica. Ea se afla intre polii magnetului, adica in flux magnetic constant creat de polii acestuia. Daca in masa de aer apar vibratii acustice, acestea vor actiona asupra membranei deplasand-o. Odata cu aceasta se va deplasa si bobina mobila a carei miscare va aduce la intersectarea liniilor campului magnetic generat de magnet. Prin intersectarea liniilor campului magnetic la capetele bobinei va aparea o tensiune electromotoare indusa de audiofrecventa. Caracteristica de frecventa a microfonului dinamic depinde in cea mai mare masura de forma si dimensiunile membranei, precum si de forma constructiva a microfonului. In diferite microfoane cu bobina mobila forma membranei utilizate poate fi: circulara, semisferica, conica, eventual sector sferic. Sensibilitatea microfoanelor cu bobina mobila este cuprinsa intre 0,1…0,2mV/µbar, iar nivelul tensiunii de iesire este cuprins intre 0,1…0,5mV. Datorita nivelului mic al tensiunii de iesire este necesara montarea dupa cel mult 2m de cablu a unui preamplificator sau a unui transformator de microfon. Caracteristica de frecventa a microfoanelor cu bobina mobila difera de la un tip la altul. Microfoanele de calitate medie cu banda cuprinsa intre 80…12000Hz, au o abatere de ±4…6dB. Cele semiprofesionale au banda de frecventa intre 60…16000Hz, cu o abatere de ±4dB. Distorsiunile acestui tip de microfon nu depasesc 2%. In cazul microfoanelor semiprofesionale HI-FI distorsiunile sunt de 0,5…1,5% in banda de frecventa data. 7. Microfonul cu banda Microfonul cu banda este tot un microfon care se aseamana functional cu microfonul cu bobina. La acest tip de microfon, locul bobinei circulare este luat de o folie subtire de aluminiu(fig.6). Ea se afla situata intre polii unui magnet. Cand banda este antrenata de oscilatiile acustice, miscandu –se intr-un camp magnetic, in ea se induce o tensiune electromotoare de audiofrecventa. (fig.6). Fig.6 Microfonul cu banda. Rezistenta interna proprie a benzii este foarte mica, in general 0,1Ω. Din acest motiv tensiunea de la bornele ei este deosebit de mica si nu se poate transmite prin cablu nici macar 1 m. De aceea in interiorul microfonului se incorporeaza un transformator. Acesta are rolul, pe de o parte, de a ridica in secundar tensiunea de audiofrecventa, iar pe de alta parte, de a realiza adaptarea rezistentei foarte mici la impedanta cablului de microfon. Transformatoarele de microfon utilizate au in general un raport de transformare de 1 /45. In felul acesta se obtine o impedanta de iesire in jur de 200Ω. Microfoanele cu banda au in general caracteristici calitative bune, motiv pentru care sunt utilizate in tehnica studiourilor. Ele sunt folosite atat pentru vorba cat si pentru muzica. Una din caracteristicile specifice ale microfonului cu banda, este aceea ca in cazul surselor apropiate de microfon se produce o accentuare a frecventelor joase, care in cazul vocii, introduce o tenta sonora ireala. In cazul transmisiunilor muzicale, acest efect este utilizat pentru favorizarea instrumentelor solo din domeniul frecventelor joase. Sensibilitatea microfoanelor cu banda este in jurul valorilor de 0,1mV/µbar. Caracteristica de frecventa a microfoanelor de calitate medie de acest tip este 30…14000Hz, cu o abatere de ±6dB, iar a microfoanelor profesionale 30…16000Hz, cu o abatere de ±4dB. Nivelul propriu este mai mic decat al microfoanelor cu bobina mobila 0,2µV, iar distorsiunile sunt cuprinse intre 0,5…1,5%. 8. Microfonul condensator Dintre toate microfoanele ce actioneaza pe principii electroacustice, microfonul condensator este cel mai bun transductor. Principiul lui de functionare este deosebit de simplu. El se bazeaza pe variatia capacitatii in functie de oscilatiile sonore. Constructiv el este format dintr-o incinta acustica ce formeaza armatura fixa si o membrana de masa plastica metalizata ce formeaza armatura mobila a condensatorului. Odata cu vibratiile membranei mobile sub influenta oscilatiilor sonore, se modifica corespunzator si capacitatea electrica. Intre cele doua armaturi se formeaza o perna de aer care readuce membrana mobila─dupa incetarea presiunii─in pozitia initiala. Pentru marirea elasticitatii pernei se practica in armatura fixa mici orificii. Acestea nu afecteaza esential capacitatea microfonului(fig. 7). Fig. 7 Microfonul condensator. Dupa cum se vede din figura armaturile condensatorilor sunt polarizate printr-un rezistor de ordinul unui megaohm, de catre o sursa de curent continuu. Cand oscilatiile sonore determina miscarea membranei, capacitatea se modifica, deci prin sarcina electrica a celor doua armaturi, si prin rezistor va trece un curent proportional cu variatia capacitatii. De la bornele rezistorului se va culege tensiune de audiofrecventa. Amplitudinea vibratiilor membranei bine tensionate este deosebit de mica, astfel inertia ei este neglijabila. Din acest motiv distorsiunile armonice ale microfonului condensator sunt foarte mici. Rezistenta interna a microfonului condensator este foarte mare, iar nivelul semnalului de iesire foarte mic avand o valoare de 0,05…1mV. Acest nivel foarte mic nu permite conectarea unui cablu de o lungime acceptabila fara a nu afecta raportul semnal/zgomot. Deoarece utilizarea unui transformator de microfon nu este posibila, datorita rezistentei interne mari, s-a recurs la un preamplificator. Acesta are o impedanta de intrare de 100…200Ω si se conecteaza chiar in carcasa microfonului. Lungimea cablului de legatura dintre capsula microfonului si preamplificator este de 3…4cm. In prezent datorita dezvoltarii circuitelor integrate, aceste preamplificatoare, au un gabarit mic, avand totodata si un raport semnal/zgomot foarte bun. Dupa cum rezulta de mai sus caracteristica de frecventa si raportul semnal/zgomot ale microfonului condensator sunt intr-o stransa dependenta de performantele preamplificatorului cu care este prevazut. Cu preamplificatoarele fabricate in prezent, microfoanele profesionale au o banda de 20…20000Hz cu abaterea de 1dB si un raport semnal/zgomot de 65…75dB. Rezistenta de iesire a acestui tip de microfon este nominalizata la 200Ω. Nivelul semnalului de iesire este de 5…10mV valoare ce permite conectarea microfonului cu un cablu ecranat mai lung, fara a influenta semnificativ raportul semnal/zgomot. Sensibilitatea microfoanelor condensator este intre 0,1…0,3mV/µbar. Nivelul zgomotului este dependent de tipul preamplificatorului incorporat. 9. Microfonul cu electret Electretul este un strat subtire izolant, care pe ambele fete este incarcat cu sarcini electrice de semne opuse. Electretul se realizeaza in felul urmator: izolantul topit este supus unui camp electrostatic foarte puternic sub actiunea caruia se produce polarizarea moleculelor. Se lasa apoi folia izolanta sa se raceasca in acest camp. In acest fel se obtine o folie incarcata cu sarcini electrice de semne opuse, pe cele doua fete, creandu-se intre acestea un camp electrostatic, asemanator campului magnetic permanent. Functionarea si constructia microfonului cu electret este asemanatoare microfonului condensator. Folia de electret (care inlocuieste folia metalizata de la microfonul condensator) se metalizeaza pe una din fete si va constitui armatura mobila a condensatorului. Armatura fixa, rigida, se realizeaza din metal si are o forma constructiva asemanatoare cu cea de la armatura fixa a microfonului condensator. Peste armatura fixa se aseaza fata nemetalizata (izolata) a foliei electretului (fig.8). Fig. 8 Microfonul cu electret. Intre folia electret si armatura fixa exista un strat de aer de ordinul milimetrilor. Volumul aerului inchis de folii se mareste prin practicarea unor orificii de mici dimensiuni in armatura fixa. Odata cu cresterea volumului de aer se mareste si elasticitatea membranei microfonului si implicit si sensibilitatea lui. Deoarece grosimea foliei de electret este foarte mica, capacitatea electrica este mai mare ca in cazul microfonului clasic cu condensator (capacitatea creste de aproximativ trei ori). De asemenea scade si valoarea rezistentei interne usurandu-se problema realizarii preamplificatoarelor. Existenta campului electric in folia de electret face inutila tensiunea mare de polarizare, necesara microfoanelor condensator. Microfoanele cu electret de calitate medie au caracteristica de frecventa cuprinsa intre 20…20000Hz, cu abatere de ±3dB. Impedantele uzuale sunt: 50Ω, 250Ω, 600Ω si 1000Ω. Raportul semnal/zgomot la constructiile mai simple este 45…55dB, iar tipurile de calitate 60…65dB. Dimensiunile reduse a microfonului cu electret folosite la casetofoane au determinat constructorul sa foloseasca o folie de electret cu suprafata mica 1…1,5cm². Prin reducerea suprafetei membranei, microfonul este mai putin sensibil la frecvente joase, asigurand o liniaritate buna a caracteristicii de frecventa numai pentru frecventele mai mari de 100…150Hz. In felul acesta s-au putut elimina zgomotele datorate vibratiilor mecanice din continutul semnalului util. Microfoanele cu electret de buna calitate au suprafata membranei de 2…5cm². Sensibilitatea in cazul acestora este de 0,5…1mV/µbar. Amplificarea tensiunii de valoare mica ce provine de la capsula microfonului cu electret se realizeaza cu preamplificatoare moderne prevazute cu tranzistoare cu efect de camp(TEC), cu circuite discrete sau cu circuite integrate. Aceste preamplificatoare de regula sunt incorporate in microfon.
