Mikrofon

Mikrofon to przetwornik elektroakustyczny, który służy do przetwarzania fal dźwiękowych na zmienny prąd elektryczny. Słowo to początkowo zaczęło funkcjonować w słownikach pod koniec XVII wieku w znaczeniu instrumentu zwiększającego głośność dźwięku, czyli trąbki przystawianej do ucha. Pierwszy mikrofon, będący przetwornikiem, skonstruował w 1827 roku Charles Wheatstone. W tym artykule prześledzimy historię mikrofonu oraz zasadę jego działania.

Jak powstał mikrofon?

Po wynalazku Wheatstone’a w latach 70. XIX wieku wyłonił się pierwsze mikrofony kwasowe, służące jako jeden z elementów budowy pierwszych telefonów. Ich działanie opierało się na ruchu połączonej z iglicą membrany w rozcieńczonym kwasie. Kolejnym etapem było powstanie mikrofonu węglowego (stykowego). Thomas Edison zainspirowany urządzeniem pionierów telefonii postanowił je ulepszyć. W 1877 zaprezentował mikrofon, w którym kwas zastąpiono granulkami węgla, zmieniającymi swoją rezystancję pod wpływem ciśnienia, jakie wywierała membrana na granulat. Sukcesywnie zastąpił on swojego poprzednika w telefonie Bella. Odkryto, że luźne styki elektryczne są wysoce czułe na drgania takie jak dźwięk. Mikrofon ten miał jednak swoje wady. Choć jego konstrukcja była prosta, tania i niemalże bezawaryjna, to jego zakres przetwarzania był węższy od widma mowy ludzkiej i powodował duże zniekształcenia dźwięku. Po mikrofonach węglowych powstały pojemnościowe, był one drogie, delikatne oraz niezbyt mobilne.

Rewolucję przyniosła konstrukcja mikrofonu z przetwornikiem dynamicznym. Jego budowa w uproszczeniu stanowiła odwrócony głośnik. Zbudowany był z aluminiowej membrany, do której przyczepiono nawiniętą z miniaturowego drutu cewkę. Była ona zlokalizowana w środku miniaturowego magnesu stałego. Generowane przez mówcę fale dźwiękowe wprawiały w ruch membranę i przenosiły się na cewkę umieszczoną w polu magnetycznym. Na niej indukowało się napięcie, które odwzorowywało charakter fali dźwiękowej. Do stworzenia takiego mikrofonu konieczna była precyzyjna technologia wytwarzania. Bazowa konstrukcja była jednak prosta, wytrzymała oraz stosunkowo tania. Co ważniejsze, taki mikrofon nie wymagał zewnętrznego zasilania i można było produkować go w masowych ilościach z powtarzalną jakością. Problem nadal stanowiło jedna zbieranie przez mikrofon tła dźwiękowa. Hałas otoczenia tworzył problemy, szczególnie w sytuacji, gdy do przetwornika docierał odgłos z głośników, powodując sprzężenie akustyczne, generujące dźwięk o irytującym brzmieniu. Rozwiązanie przyniosło wynalezienie mikrofonu kierunkowego, który był bardziej czuły na fale dźwiękowe docierające od przodu.

Zasada działania mikrofonu

Zasada działania mikrofonu mimo wielu jego typów jest bardzo podobna. Przetwarza on energię fal dźwiękowych na energię elektryczną, co pozwala na przesłanie informacji, jaką niesie fala dźwiękowa, przy pomocy przetworników elektrycznych. Elastyczna membrana pod wpływem działania fali akustycznej zaczyna drgać, co powoduje drgania cewki, a w konsekwencji odtworzenie charakteru fali dźwiękowej. To, co rozróżnia poszczególne mikrofony to właśnie sposób przetwarzania drgań membrany w sygnał elektryczny, stąd ich rozróżnienie na węglowe, piezoelektryczne, magnetoelektryczne (dynamiczne) czy elektrostatyczne (pojemnościowe).

Mikrofon charakteryzują liczne parametry takie jak napięcie go zasilające, moc wzmacniająca czy maksymalny zasięg. Jakość mikrofonu zależna jest od jego skuteczności, czyli stosunku sygnału napięciowego przezeń generowanego do ciśnienia fali akustycznej, która pada na membranę. Jest ona zależna od kąta padania fali dźwiękowej. Zbadanie tej zależności umożliwia wyznaczenie charakterystyki kierunkowej mikrofonu.