Mikrofony III - Mikrofony pojemnościowe – zasada działania, wady i zalety

CZY „POJEMNY” ZNACZY CZUŁY?

Pytanie to nie jest bezzasadne. Jeśli chcemy dokonać wysokiej jakości nagrań wokalu lub nagłośnić chór (czy jakąś grupę śpiewających osób), instrumenty strunowe bądź blachy perkusyjne, zastosujemy mikrofon pojemnościowy. Z dwóch powodów: mikrofony te mają przeważnie szersze i bardziej wyrównane pasmo częstotliwościowe od porównywalnych jakościowo mikrofonów dynamicznych, a przede wszystkim charakteryzują się większą czułością napięciową (co to jest – odsyłam do wakacyjnego numeru LSI). Dlaczego tak jest? Zacznijmy od początku. Czyli od podstaw.

Mikrofon pojemnościowy, inaczej zwany też elektrostatycznym, jest zbudowany w postaci kondensatora. Jedną jego okładzinę stanowi ruchoma, lekka membrana, a drugą nieruchoma płytka. W zależności od tego, czy mikrofon wymaga polaryzacji zewnętrznej, czy też jej nie potrzebuje, dzielimy je na mikrofony pojemnościowe o polaryzacji zewnętrznej i mikrofony elektretowe (tak gwoli ścisłości, to i jedne, i drugie wymagają zasilania, gdyż integralną częścią mikrofonu jest wzmacniacz przymikrofonowy, o czym za chwilę. Dokładniej więc należy mówić o wkładce mikrofonowej elektretowej i zasilanej zewnętrznie).

PHANTOM

Budowę mikrofonu (wkładki) z zasilaniem zewnętrznym przedstawia rysunek 1.

Okładziny kondensatora są połączone za pośrednictwem rezystora o dużej rezystancji z zaciskami baterii, stanowiącej źródło napięcia polaryzującego (obecnie zamiast baterii przeważnie napięcie polaryzujące jest podawane z miksera lub przedwzmacniacza). Rezystor ten pełni tu podwójną rolę: w stanie spoczynku, gdy na membranę nie pada żadna fala dźwiękowa, zapobiega rozładowywaniu się kondensatora, natomiast gdy na mikrofon pada fala akustyczna, membrana porusza się pod wpływem panującego na jej powierzchni ciśnienia akustycznego i drga wokół położenia spoczynkowego. Pojemność wkładki zmienia się, przez rezystor płynie prąd ładowania (i rozładowania), a między zaciskami rezystora powstaje zmienny spadek napięcia. Samą wkładkę możemy potraktować jako źródło o sile elektromotorycznej EZ (rysunek 2a). Jest ona tym większa, im większa jest amplituda wychyleń membrany w stosunku do odległości jej okładziny nieruchomej i im większe jest napięcie polaryzujące. Logiczne jest, że nie możemy w nieskończoność zwiększać ani napięcia polaryzującego, ani zmniejszać sztywności membrany (żeby osiągnąć duże wychylenia), gdyż oba te parametry są od siebie uzależnione i ograniczone „od góry” dopuszczalną wartością pola elektrycznego między okładzinami, nie powodującą wyładowań iskrowych. Dla dociekliwych podam tylko, że w praktyce stosuje się wartość pola elektrycznego 7*106 V/m.

Prąd płynący ze źródła powoduje na rezystancji spadek napięcia, który po wzmocnieniu jest przekazywany dalej. Czynnikiem decydującym o tym, czy to napięcie będzie wiernie odwzorowywać zmiany EZ w funkcji częstotliwości, jest czynnik ωRCo. Należy też wziąć pod uwagę, że przyłączenie przedwzmacniacza (który charakteryzuje się pewną impedancją wejściową, a więc i pojemnością) do zacisków rezystora wprowadza dodatkową pojemność Cd (rysunek 2b). Dodanie pojemności Cd jest równoznaczne ze zwiększeniem pojemności spoczynkowej, wynikiem czego jest zmniejszenie SEM i impedancji wewnętrznej źródła, a więc zmniejszenie czułości mikrofonu. Może wygląda to trochę skomplikowanie, ale oznacza jedno – nie łączymy wkładki mikrofonowej bezpośrednio z przedwzmacniaczem za pomocą kabla, ponieważ wprowadza on znaczną pojemność dodatkową, lecz bezpośrednio przy wkładce (najczęściej w tej samej obudowie) umieszcza się wzmacniacz przymikrofonowy. Jego zadaniem jest nie tyle wzmocnienie sygnału (choć oczywiście w pewnym stopniu też), co zamiana małej impedancji wkładki na dużą impedancję wyjściową mikrofonu, dopasowaną do wejścia przedwzmacniacza. Osiąga się to stosując układy zwane wtórnikiem katodowym (we wzmacniaczach lampowych) lub źródłowym (we wzmacniaczach tranzystorowych na tranzystorach FET). Układów na wzmacniaczach bipolarnych zasadniczo nie stosuje się, gdyż mają one stosunkowo małą impedancję wejściową, która sama w sobie zbytnio obciążałaby wkładkę. Na koniec tego rozważania o podstawach konkluzja. SEM zastępcza mikrofonu będzie niezależna od częstotliwości, gdy wychylenia membrany będą niezależne od częstotliwości, tzn. gdy prędkość drgań membrany będzie proporcjonalna do częstotliwości.

MIKROFONY ELEKTRETOWE

Mikrofony elektretowe pozwalają wyeliminować konieczność zasilania wkładki napięciem polaryzującym, dzięki zastosowaniu membrany elektretowej trwale spolaryzowanej, wytwarzającej pole elektryczne w szczelinie powietrznej. Cóż to są te elektrety? Są to dielektryki (izolatory), które spolaryzowane silnym polem elektrycznym zachowują trwale wytworzone ładunki elektryczne (odpowiednik magnesu trwałego w magnetyzmie). Należą do nich tworzywa sztuczne jak: polimetakrylan metylu, polioctan winylu, policzterofluoroetylen (masakra!!) i inne. Elektrety wykazują dużą niezależność od temperatury i wilgotności otoczenia, a także dużą stałość w czasie. Wytwarzana polaryzacja odpowiada napięciu 200 V i może z biegiem czasu zmaleć do 150-180 V.

Budowa takiego mikrofonu zasadniczo nie różni od budowy mikrofonu z polaryzacją zewnętrzną, możliwe jest jednak rozpięcie membrany na współśrodkowych wyniosłościach na okładzinie nieruchomej. Stosuje się również warstwę elektretową, nakładaną na okładzinę nieruchomą, a membranę wykonuje się z materiału o najlepszych właściwościach mechanicznych i cieplnych. Mikrofony elektretowe mają szereg zalet: niewrażliwość na wilgotność, małą wrażliwość na wstrząsy i dużą odporność mechaniczną. Nie ma również niebezpieczeństwa elektrycznego przebicia szczeliny powietrznej między okładzinami. Jednak, tak samo, jak w mikrofonach z wkładką polaryzowaną, nie podłączamy wkładki elektretowej bezpośrednio do wyjścia mikrofonu, ale z tego samego powodu, co „klasyczne” pojemnościówki wymagają one stosowania przedwzmacniaczy transformujących impedancję. Tak więc mikrofony elektretowe również będą wymagały zasilania, choć w tym przypadku wystarcza im o wiele mniejsze napięcie – nawet ok. 1 V.

Mikrofony pojemnościowe są wykonywane jako wszechkierunkowe, dwukierunkowe, jak i jednokierunkowe.

MIKROFONY POJEMNOŚCIOWE WSZECHKIERUNKOWE

Budowę przykładowego mikrofonu dookólnego przedstawia rysunek 3.

Membrana o grubości około 25 µm umieszczona jest w odległości 25-50 µm od elektrody w postaci płaskiej płytki z rowkami. Rowki te mają za zadanie zwiększenie podatności przestrzeni między okładzinami oraz zmniejszenie oporu tarcia powietrza o okładziny. W celu otrzymania dużych wychyleń membrany, a więc dużej skuteczności, podatność układu powinna być możliwie największa. Otrzymamy to, gdy masa membrany będzie możliwie najmniejsza, dlatego wykonuje się ją z cienkiej blachy duraluminiowej. Duraluminium jest jednak tworzywem rozciągliwym i dlatego w mikrofonach wysokiej klasy stosuje się membrany wykonane z blachy niklowej o grubości kilku mikrometrów. Jeśli zwiększenie naprężenia nie jest możliwe, stosuje się, w celu poszerzenia pasma przenoszenia, zmniejszenie masy membrany. Osiąga się to poprzez zmniejszenie średnicy membrany, jednak przez ten „zabieg” zmniejsza się skuteczność mikrofonu. Istotne znaczenie dla przebiegu charakterystyki poziomu skuteczności ma kształt jego przykrywki (w przypadku mikrofonów z małą membraną) i kapsuły (tzw. nastrojenie kapsuły w przypadku mikrofonów wielkomembranowych) oraz kształt i rozmiary otworów w przykrywce czy kapsule. Przez właściwy dobór tych parametrów można skompensować braki w charakterystyce skuteczności. Z rozmiarami mikrofonu wiąże się również kształt charakterystyki kierunkowości mikrofonu. Ogólnie mówiąc, rzecz ma się tak, iż zmniejszanie średnicy obudowy prowadzi do zachowania właściwości wszechkierunkowych mikrofonu.

MIKROFONY POJEMNOŚCIOWE DWUKIERUNKOWE

W przypadku mikrofonu o charakterystyce ósemkowej membrana umieszczona jest między dwiema nieruchomymi elektrodami, mającymi liczne otwory łączące przestrzeń otaczającą membranę z atmosferą (rysunek 4).

Przy padaniu fali akustycznej prostopadle na membranę różnica ciśnień jest największa, przy padaniu stycznym – równa zeru. Mikrofon pojemnościowy o charakterystyce ósemkowej, podobnie jak jego odpowiednik dynamiczny, umieszczony w małej odległości od źródła uwydatnia małe częstotliwości i aby usunąć wpływ tego zjawiska należy stosować korekcję podcinającą lekko dół pasma.

MIKROFON POJEMNOŚCIOWY JEDNOKIERUNKOWY

W mikrofonie kierunkowym (rysunek 5) po obu stronach nieruchomej okładziny, mającej szereg otworów, są umieszczone dwie membrany, z których tylko jedna jest elektrycznie czynna.

Gdy na mikrofon pada fala akustyczna, obie membrany są poddane siłom pochodzącym od ciśnienia akustycznego i gradientu ciśnienia. Siły pochodzące od ciśnienia działają na membrany w kierunkach przeciwnych, starając się je przybliżyć lub oddalić od siebie. Siły pochodzące od gradientu ciśnienia przesuwają obie membrany w tę samą stronę. W ten sposób siły pochodzące od gradientu i ciśnienia działają na membranę zwróconą w kierunku fali w tym samym kierunku i dodają się, a na membranę przeciwległą – w kierunkach przeciwnych i odejmują się.

MIKROFON POJEMNOŚCIOWY O CHARAKTERYSTYCE PRZEŁĄCZANEJ

W mikrofonach, które omawialiśmy przed chwilą, czynna elektrycznie jest tylko jedna membrana. To powoduje, że mikrofony te mają kardioidalną charakterystykę kierunkowości. Jeśli za pomocą przełącznika dołączymy do tej membrany równolegle drugą membranę, napięcia obu membran sumują się, dając wszechkierunkową charakterystykę kierunkowości mikrofonu. Możemy również „zbudować” mikrofon o charakterystyce regulowanej płynnie.

ZASILANIE MIKROFONÓW POJEMNOŚCIOWYCH

Wróćmy jeszcze na chwilę do zasilania mikrofonów pojemnościowych za pomocą napięcia fantomowego. Aby popularne gniazdo mikrofonowe, czyli XLR, służyło zarówno do przyłączenia mikrofonu dynamicznego, jak i pojemnościowego, wymyślono pewien sposób dostarczania, za pomocą dwużyłowego kabla mikrofonowego, zarówno napięcia stałego, jak i wyprowadzenia sygnału. Napięcie Phantom ma standardowo wartość +48 V, ale mogą to być również mniejsze napięcia. Większość mikrofonów toleruje napięcia od 1,5 V (z „paluszka”) do 48 V. Ten rodzaj zasilania powoduje, że nawet jeśli w mikserze mamy włączone napięcie fantomowe na danym kanale, to w momencie podłączenia mikrofonu dynamicznego nie spowoduje ono uszkodzenia mikrofonu ani żadnych słyszalnych skutków ubocznych naszego „gapiostwa”.

Wspomnieć jeszcze wypada o mikrofonach pojemnościowych wielkiej częstotliwości. W mikrofonach takich wkładka pojemnościowa dołączona jest do obwodu sygnału wielkiej częstotliwości, wytwarzanej przez generator, modulując częstotliwościowo ten sygnał. Sygnał foniczny uzyskuje się dopiero po zastosowaniu demodulacji. Mikrofony w. cz. nie potrzebują napięcia polaryzującego i mają niski poziom szumów. Ale, jak się zapewne domyślacie, na estradzie, w teatrze czy w klubie raczej takich nie spotkacie.

Piotr Sadłoń