Mikrofon

Mikrofon on andur, mis muundab helivõnkumised elektrilisteks signaaliks.

Mikrofoniliike on palju, alustades tavalises telefonis olevast mikrofonist lõpetades teaduslikel mõõtmistel kasutatava mikrofoniga. Mikrofoni iseloomustavad omadused on stabiilsus, sageduskarakteristik, suunatundlikkus, suurus, välimus, maksumus jne. Tööpõhimõtteid, kuidas mikrofoni valmistada, on mitu. Näiteks üsna spetsiifilise kasutusalaga on termoprintsiip, kus helilaine poolt loodud õhuosakeste erinev kiirus muudab kuuma traadi temperatuuri ja seega ka elektritakistust, niiviisi moduleerides elektrivoolu, millega traati kuumutatakse.

Mikrofonis on membraan, mis on helilainele avatud ja tavaliselt võrega kaitstud (vältimaks näiteks otsese hingeõhu tekitatud võnkumist). Membraan võib helilaine suhtes olla paigaldatud kahel viisil:

• Membraan moodustab suletud anuma ühe pinna, nii et helilained avaldavad mõju ainult membraani ühele poolele; sellisel juhul on tegemist helirõhule tundliku mikrofoniga.
• Helilained avaldavad mõju membraani mõlemale küljele; sellisel juhul on tegemist helirõhu gradiendi tundliku mikrofoniga.

Mikrofonitüübid

• Muutuv kontakttakistus (nt. süsimikrofon)
• Piesoelektriline (nt. piesoelektriline e. kristallmikrofon)
• Elektrostaatiline (nt. kondensaatormikrofon)
• Elektrodünaamiline või elektromagnetiline (nt. võnkepooliga dünaamiline mikrofon ja riba e. lintmikrofon)

Süsimikrofonid

See on kõige levinum laiatarbemikrofon. Süsimikrofon töötati välja telefoniaparatuuris kasutamiseks. Mikrofoni membraan on kinnitatud peene söepuruga täidetud anuma külge. Elektrikontaktide abil antakse söepulbri peale pinge. Helilainest tingitud õhurõhu muutus paneb membraani liikuma, mistõttu muutub söepulbrile avalduv rõhk ja seega ka söepulbri takistus. Seega moduleeritakse söepulbrit läbivat elektrivoolu. Et suhteliselt väike membraani asukoha muutus põhjustab suhteliselt suurt takistuse muutust, siis tekitab mikrofon võimendusefekti ning on seega väga efektiivne muundur.

Sellise mikrofoni headeks külgedeks on lihtsus, stabiilsus ja odavus. Halbadeks külgedeks on aga vilets sageduskarakteristik ja kõrge müratase. Mikrofoni tundlikkus sõltub helisisendist, olles madalate ja kõrgete helide puhul üsna tundetu. See teeb ta sobivaks telefoniaparatuuris, sest tundetus madalate helide suhtes filtreerib välja taustamüra ning tundetus kõrgete helide suhtes võimaldab mikrofonil töötada ilma ülekoormuseta ja moonutuseta. Telefonikommunikatsioonis kantakse üldjuhul heli üle vaid teatud kitsas sagedusalas.

Piesoelektrilised mikrofonid

Piesoelektriline efekt laseb materjalil (kvartsil, Rochelle'i soolal, mõnedel pliitsirkonaadist keraamilistel elementidel jne), muuta mehhaanilist rõhku elektrilaenguks. Kristallile võib selle efekti saavutamiseks avaldada helirõhu muutusi mitmel moel. Rõhuavalduse meetodist sõltub see, mil viisil kristall välja lõigatakse. Levinud meetod kasutab bimorfelementi. Bimorfelemendi moodustamiseks lõigatakse kaks erinevate diagonaalide peal asetsevat X-telje suunalist plaati ja kinnitatakse kokku. Sõltuvalt sellest, kuidas kristallid lõigati, võib bimorfelement tekitada plaatide vahele laengu siis, kui elementi väänatakse, või siis, kui elementi painutatakse. Kui elementi painutatakse, siis üht plaati surutakse kokku ja teist venitatakse, mis tekitab mõlemas plaadis erisuunalisi laenguid. Plaatide mõlemale küljele kinnitatakse elektroodid. Helirõhu muutust saab bimorfelementi väänama panna kas niiviisi, et kinnitatakse element mehhaaniliselt membraani külge, või nii, et elemendi ühte külge kasutatakse membraanina. Mikrofoni tundlikkust võib suurendada, kasutades kahte bimorfelementi kui karbikese kahe küljena, jättes elementide vahele väikese õhupilu. Elementide arvu veelgi suurendades on võimalik tundlikkust veelgi rohkem tõsta. Kristallmikrofoni sageduskarakteristik sõltub enamaltjaolt tema mõõtmetest. Üldjuhul on nii, et mida väiksem kristallsüsteem, seda parem tundlikkus, aga ka seda madalam elektriväljund. Piesoelektrilistel mikrofonidel on väga kõrge impedants. Ilma eelvõimendita ei sobi neid üldjuhul kasutada koos pikkade kaablitega. Isegi keskmise pikkusega kaablite puhul (nt. kolm meetrit võimendist) on kõrgete sageduste kadude vältimiseks soovitav kasutada koaksiaalkaablit.

Elektrostaatiline ehk kondensaatormikrofon

Muundab helirõhu muutuse elektrimahtuvuse muutuseks. Mikrofonis moodustab kondensaatori ühe plaadi metallitatud membraan, mis asub paigalseisvast plaadist paarikümne mikromeetri kaugusel. Mahtuvuse muutus teisendatakse elektripinge muutuseks madal- v. Kõrgsageduslikult. Levinuim on madalsageduslülitus, mispuhul mikrofon on ühendatud järjestikku elektrilaenguid polariseeriva alalispinge U allikaga ja takistiga. Selles lülituses muutub koos mahtuvusega C kondensaatori laeng Q (vastavalt tuntud seosele Q=CU). Laengu muutusest põhjustatud elektrivool tekitab takistil membraani võnkumist järgiva pingelaengu.

Kõrgsageduslülituses on mikrofoni elektroodid ühendatud kõrgsagedusgeneraatori võnkesagedust määravasse võnkeringi. Helivõnkumise toimel sagedusmoduleerunud kõrgsagedusvõnkumine detekteeritakse ja saadud madalsagedussignaali võimendatakse. Kondensaatormikrofonid on kvaliteetsed, kuid kallid. Peaaegu samaväärsete elektroakustiliste omadustega, kuid märksa odavam ja seetõttu ka laiatarbeaparatuuris kasutamiseks sobiv on elektrostaatilise mikrofoni erim - elektreetmikrofon. Elektreet on püsimagneti elektriline analoog. Ta saadakse dielektriku (tavaliselt fluorplasti v. kaltsiumtitanaadi) elektriseerimisel kõrgel pingel ja temperatuuril. Õhuniiskusel alla 90 % ja toatemperatuuril püsivad nimetatud materjalid elektriseerituna aastakümneid.

Elektreedist valmistatakse mikrofoni membraan (selle peale sadestatakse kondensaatori plaadina toimiv metallikiht) või kaetakse elektreediga paigalseisev kondensaatoriplaat. Elektreedi laeng vastab harilikus kondensaatormikrofonis rakendatavale 45. . .130-V polariseerimispingele. Seetõttu ei vaja elektreetmikrofon polariseerimispinge allikat. Mikrofoniga ühendatud suuretakistuslikul koormustakistil tekib helirõhu muutusi jäljendav pingelang. See tüürib mikrofoni sisse ehitatud sobitusastet, milleks on väljatransistori sisaldav mikrolülitus. Sobitusaste vähendub mikrofoni väljundtakistuse transistorvõimendi sisendile sobiva väärtuseni. Seda astet võib toita mikrofoni kesta asetatavast väikesest galvaani- v. akuelemendist.

Elektrodünaamilised mikrofonid

Võnkepool- ehk dünaamilised mikrofonid

Dünaamilise mikrofoni talitus põhineb nähtusel, et magnetväljas liikuvas juhtmes indutseerub emj. Membraani küljes olev võnkepool (mille mähis on valmistatud 0,02. . .0,05 mm jämedusest traadist) asub püsimagnetist ja magnetjuhist (ikkest) moodustuva magnetjuhist (ikkest) moodustuva magnetahela rõngakujulises õhupilus. Kui membraan hakkab võnkuma, lõikavad võnkepooli mähise keerud radiaalse magnetvälja jõujooni ja mähises indutseerubki emj., mille suurus ning suund sõltub pooli liikumise kiirusest ja suunast.

Riba ehk lintmikrofon

Lintmikrofoni magneti poolusekingade vahelises sirges õhupilus paikneb 2 µm paksune laineline alumiiniumlint, mis täidab nii membraani kui ka magnetvälja jõujooni lõikava juhtme ülesannet. Mikrofoniga on kokku ehitatud pingekõrgendustrafo, mis ühtlasi suurendab mikrofoni väljundtakistust.

Lintmikrofon on tundlik vibratsioonile ning muudele välismõjudele. Seepärast kasutatakse teda üksnes stuudiomikrofonina.

Liitmikrofon

On võimalik ehitada mikrofone, kus tundlikkus helirõhu gradiendile ja tundlikkus helirõhule on ühendatud. Seda on võimalik saavutada kas kasutades ühes mikrofonis kahte eraldatud süsteemi või luua membraani tagakülge mõjutavate helilainete jaoks akustilised viitteed. Viide suurendab esi- ja tagaküljele mõjuvate helide teekondadevahet, muutes mikrofoni ühesuunamikrofoniks.

Kui ringikujuline ja 8-kujuline suunadiagramm kokku liita, siis on tulemus kahekordne selles suunas, kus mõlemad ülekanded on samas faasis, ja minimaalne selles suunas, kus ülekanded on vastasfaasis, tekitades kardioidikujulise suunadiagrammi. Kardioidikujulise suunadiagrammiga mikrofonil on 90o juures tundlikkus 6 dB väiksem maksimaalsest ja 180o juures null. Kardioidmikrofonid on monomikrofonidest kõige levinumad.

Tunnussuurused

Vallastundlikkus on koormuseta mikrofoni väljund-emj. ja tema membraanile telje sihis mõjuva helirõhu suhe sageduse 1000 Hz. Nimitundlikkus on seesama suhe juhul, kui mikrofoniga on ühendatud nimikoormustakistusega takisti. Tundlikkuse standardtaset väljendab 0,1-Pa helirõhu korral mikrofoni nimikoormustakistusel tekkiva pinge ja võimsusel 1 mW samal takistusel kujuneva pinge suhe (dB).

Mikrofoni tundlikkus sõltub koormustakistusest ja sobitustrafo ülekandetegurist. Seevastu tundlikkuse standardtase iseloomustab mikrofoni väljundvõimsuse seisukohalt. Mikrofon on seda tundlikum, mida väiksem on tundlikkuse standtardtaset väljendava arvu absoluutväärtus.

Nimikoormustakistus on mikrofoniga ühendatava koormuse (võimendi sisendi) kohaseim sisendtakistus, mille puhul muud tunnussuurused on ettenähtud väärtusega. Nimikoormustakistus on mikrofoni väljundtakistusest suurem või sellega võrdne.

Sagedustunnusjoon väljendab ristkordinaadistikus mikrofoni tundlikkuse sõltuvust sagedusest. Tundlikkuse sagedustunnusjoon antakse mikrofonisse eest akustilise telje sihis saabuva heli jaoks (0 °), vahel ka tagant (180 °) või küljelt (90 °) saabuva heli puhuks. Diagrammi rõhtteljel esitatakse sagedus logaritmilises mõõtkavas ja püstteljel tundlikkus (mV/Pa) või tundlikkus 1000 hertsile vastava tundlikkuse suhtes (dB).

Sagedustunnusjoone ebaühtlus - talitussagedusala piires esineva suurima ja vähima tundlikkuse suhe (dB). Talitussagedusala on sageduspiirkond, mille alumisel ja ülemisel piiril on tundlikkus kahanenud kindlaksmääratud väärtuse võrra allapoole tundlikkusest sagedusel 1000 Hz.

Suunatunnusjoon väljendab polaarkordinaadistikus tundlikkuse sõltuvust nurgast mikrofoni telje esisuuna ja heliallikat mikrofoni keskmega ühendava sirge vahel. Tundlikkus antakse suhtarvuna v. protsentides. Et suunatundlikkus sõltub sagedusest, antakse suunatunnusjooned mitmel sagedusel. Sõltuvalt mikrofoni ehituse iseärasusest võib suunatunnusjoon olla ringikujuline (siis on mikrofon suuna-toimeta), kardioidikujuline (ühesuunamikrofonil) ja koosinussoidikujuline (kahesuunamikrofonil). Sageli on mikrofoni suunatunnusjoon nende kõverate vahepealne.

Esi- ja tagasuunatundlikkuse erinevus iseloomustab ühesuunamikrofoni suunatoimet. Mida suurem on seda erinevust väljendav suhtarv, seda väiksem on mikrofon tundlik tagasuunast saabuva heli suhtes.

Kasutamisjuhis

Mikrofon tuleb valida ühe kvaliteediklassi võrra parem trakti ülejäänud aparatuurist v. sellega vähemalt ühest klassist.

Mikrofoni koormustakistus peab olema võrdne nimikoormustakistusega v. sellest suurem. Viimasel juhul mikrofoni parameetrid siiski oluliselt ei muutu. On aga võimendi sisendtakistus mikrofoni nimikoormustakistusest väiksem, alaneb mikrofoni tundlikkus ja võib aheneda ka sagedusala. Mikrofoni ühendusjuhtme pikendamisel halveneb kõrgete sageduste edastus seda enam, mida suurem on mikrofoni väljundtakistus. Mikrofoni väljundpinge kahaneb 3 dB võrra sagedusel, millel ühendusjuhtme mahtuvustakistus Xc=1/ωCk on võrdne koormustakistusega. Sellest, nn. Lõikesagedusest kõrgemal sagedusel väheneb võimendi sisendpinge 6 dB oktaavi kohta. Pika ühendusliini korral tuleb selle otstesse ühendada sobitustrafod. Need peavad olema väikese puistega ja hästi varjestatud.

Mikrofonidele on ohtlik vibratsioon, raputused ja põrutused. Mikrofoni proovimiseks ei tohi sellese puhuda; piisab kergest koputamisest (näit. Pliiatsiga) vastu mikrofoni kesta. Välistingimustes tuleb mikrofoni kaitsta tuulevarjega. Kondensaator- ja elektreetmikrofonid on eriti tundlikud suure õhuniiskuse suhtes. Seepärast pole neid soovitatav kasutada väljas. Elektreetmikrofonile on ohtlik ka kõrge temperatuur üle 50 °.

Vaata ka

• Juhtmevaba mikrofon

Viited

Abo Lembit Raadioseadmete üksikosad - Tln.: "Valgus" 1981
Microphones