A mikrofon egy elektroakusztikus eszköz, amely az akusztikus energiát elektromos energiává alakítja. Ez az átalakítás egy mechanikus rendszeren, általában egy membránon keresztül történik, amelyet a hangtér rezgésbe hoz. A mechanikus mozgást ezután elektromechanikus csatolással elektromos jellé alakítják át.
A hangot mint fizikai jelenséget elvileg a hangnyomással, a részecskék sebességével vagy a hangintenzitással lehet leírni. A legtöbb mikrofon a hangnyomásra, a hangnyomás-gradiensre vagy a kettő kombinációjára reagál. Ezért ez a mikrofonokról szóló rész csak ezekkel a típusokkal foglalkozik:
1. Nyomásmikrofonok
2. Nyomásgradiens mikrofonok
3. A nyomás- és nyomásgradiens mikrofonok kombinációi
A fenti osztályozás nem vonatkozik a hangenergiából elektromossággá történő átalakításra. Így a továbbiakban egy újabb felosztás történik:
- Dinamikus mikrofonok
- Kondenzátor mikrofonok
- Digitális mikrofonok
A kristálymikrofonok, a fűtőszálas mikrofonok és a szénmikrofonok itt nem kerülnek ismertetésre, mivel a professzionális hangtechnikában nem játszanak szerepet.
Nyomásmikrofonok
A nyomásmikrofon elvileg egy zárt kamra előtt elhelyezett membrán. A hangnyomás csak az egyik oldalról érheti el a membránt.
1. ábra. A nyomásmikrofon elve - membrán egy zárt kamra előtt (átalakító nélkül).
A nyomásmikrofon a folyadékban lévő nyomás mérésére szolgáló nyomásmérőhöz hasonlítható, amely skalárértékként, irány nélkül méri a nyomást. Nem számít, hogy a membrán milyen irányba néz. A tényleges mélységben mért nyomás számít.
2. ábra. A nyomásátalakító elve.
Hasonlóképpen egy nyomásmikrofon is érzékeli a hangnyomást, függetlenül attól, hogy a hang milyen irányból érkezik. A nyomásmikrofon minden irányú.
A mikrofon fizikai méretei azonban befolyásolják azt a hangteret, amelyben elhelyezik. Magasabb frekvenciákon, a membrán átmérőjéhez hasonló és annál rövidebb hullámhosszúságok esetén nyomásfelhalmozódás következik be, amikor a tengelyirányú hang a membránba ütközik. Ennek eredménye a mikrofon megnövekedett kimeneti szintje.
Ezzel szemben, amikor a hang a mikrofon hátsó oldaláról érkezik, egy sajátos árnyékolási hatás lép fel. E jelenségek hatásának mértéke a mikrofon méreteitől függ. Minél nagyobb a membrán és a mikrofonház mérete, annál lejjebb van az a frekvenciatartomány, ahol megnövelt érzékenységet mutat.
Azaz, ha a hang csak elölről éri el a membránt, akkor az egy nyomásmikrofon, tehát minden irányú.
Nyomásgradiens mikrofonok
A nyomásgradiens mikrofonban a hangnyomás elölről és hátulról is elérheti a membránt. A mikrofon kimeneti feszültsége arányos a nyomásgradienssel, azaz a membrán elülső és hátsó része közötti nyomáskülönbséggel. Ha a hang oldalról érkezik, akkor a membrán mindkét oldalán azonos nyomás van. Ekkor nincs gradiens, és így a mikrofonból nem jön ki jel.
3. ábra. A nyomásgradiens mikrofon elve.
A nyomásgradiens mikrofon kétirányú, és nyolcas alakú iránykarakterisztikát mutat. A nyomásmikrofonokhoz hasonlóan a nyomásgradiens mikrofonok jellemzői is szorosan kapcsolódnak ahhoz a hangtérhez, amelyben elhelyezik őket.
4. ábra. Nyomásgradiens különböző hullámhosszakon.
A hangnyomáskülönbség a hang hullámhosszától függ. A mély hangok, azaz a hosszú hullámhosszú, a membrán eleje és hátulja közötti távolságnál hosszabb frekvenciák csak kis nyomáskülönbséget adnak. A frekvencia növekedésével a gradiens nő, és ezáltal a membrán mozgása is növekszik. A maximális membránmozgás azon a frekvencián érhető el, ahol a hullámhossz fele megegyezik a membrán eleje és hátulja közötti távolsággal.
5. ábra. A hanghullám két pontja közötti nyomásgradiens.
A szabványos méretű mikrofonoknál ez körülbelül 5-10 kHz-nél következik be. Rövidebb hullámhosszaknál a feltételek tovább bonyolódnak, és a nyolcas iránykarakterisztikát árnyék- vagy interferencia hatást biztosító mechanikai kialakításokkal kell támogatni.
A nyomásgradiens mikrofon „nyers“ frekvenciaválaszából hiányzik a basszus. A görbe meredeksége +6 dB/oktáv. Ahhoz, hogy a mikrofon megfelelő mélyfrekvenciás választ mutasson, a tervezés során különböző technikákat alkalmaznak az egyenes frekvenciaválasz biztosítására. Az egyik megközelítés a membrán lazábbá tétele, ami alacsony rezonanciát eredményez (akárcsak egy dob hangolása). A kialakítástól és az érzékenység iránti igénytől függően van egy vágás, amely 12 dB/oktáv meredekséggel ezen rezonancia alatt van. Minden gradiens mikrofonon valamilyen ponton mélyfrekvenciás vágást mutat.
A nyomásgradiens mikrofonoknál egy másik tényező is szerepet játszik. Ha a hangforrás közel van a mikrofonhoz, akkor mélyhang emelkedés lép fel. Ezt a jelenséget proximity-effektusnak nevezik. A hatás a négyzetes törvény megfordításának (a pontforrástól mért távolság megduplázódásakor 6 dB veszteség) köszönhető. Ez a hatás rövid távolságoknál jelentkezik.
6. ábra. A proximity hatás: a basszus növekedése a hangforrástól mért távolság függvényében, kétirányú és kardioid mikrofonok esetében.
Ha például egy pontforrás 2 cm-re van egy membrántól, és a membrán elejétől a membrán hátuljáig terjedő távolság szintén 2 cm, a nyomáskülönbség 6 dB lesz. Ez a különbségi elv a teljes frekvenciatartományra érvényes. Mivel azonban a nyomásgradiens mikrofon jele alacsony frekvenciákon kicsi, a további nyomáskülönbség hatása megnövekedett mélyfrekvenciás kimenetet eredményez. Más szavakkal: ha a hangforrás közelebb kerül a mikrofonhoz, a hangban több lesz a basszus.
Kombinált nyomás- és nyomásgradiens mikrofonok
Ha a nyomás és a nyomásgradiens elvét kombináljuk, akkor irányított mikrofonokat kapunk - beleértve a széles kardioid (szubkardioid), kardioid, szuperkardioid és hiperkardioid karakterisztikát.
A két elv összekapcsolása történhet mechanikai-akusztikai vagy elektromos úton.
A mechanikus-akusztikus csatolásnál a hangnak a membrán hátuljára ható része a mikrofonház egy vagy több nyílásán keresztül jut át. E nyílások méretének és csillapításának változtatásával lehet szabályozni a jellemzőket a minden irányú (teljesen zárt mikrofonház) és a kétirányú (a hang a membrán elülső és hátsó részét is elérheti) között. A csatolásnak ez a formája dinamikus és kondenzátor mikrofonokra egyaránt alkalmazható.
7. ábra. Ez a mikrofonház lehetővé teszi a hang bejutását a hátsó nyíláson, ami nyomásgradienst biztosít.
A membrán hátuljának részleges lezárásával a nyílást porózus vagy perforált csillapító anyaggal fedik le, így a hang csökkentett sebességgel haladhat át. Ez a technika biztosítja, hogy a hátulról érkező hang (180° tengelyirányban) egyszerre érje el a membrán elülső és hátsó részét. Ez azt eredményezi, hogy a membrán nem mozog, és a mikrofon úgy viselkedik, mintha a hátulról érkező hangra érzéketlen lenne. Más hangirányoknál a membrán érzékenysége megnő. Ez a mikrofon kardioid karakterisztikával rendelkezik.
8. ábra. Példa kombinált nyomás- és nyomásgradiens mikrofonra.
Ha a hang membrán hátuljára való bejutását bizonyos fokban csillapítjuk, a mikrofon érzéketlenné válik a tengelytől 120°-os szögben beeső hangra. Ez egy szuperkardioid mikrofon kialakítás, amely kissé érzékeny a közvetlenül hátulról érkező hangra.
A nyomás és a nyomásgradiens elvek közötti elektromos csatolás általában csak kondenzátor mikrofonoknál történik. Ez a fajta csatolás könnyen változtatható, és a kondenzátor mikrofonokról szóló részben ismertetjük.
A mikrofon a hangtérben
A mikrofon a jelenléte miatt zavaró hatással lesz a magas frekvenciákra a hangtérben. A mikrofon körül részleges elhajlás - diffrakció -, valamint részleges visszaverődés következik be a membrán elejéről, aminek következtében nyomás alakul ki.
9. ábra. Nyomásfelhalmozódás az átmérővel egyenlő és annál rövidebb hullámhosszon.
A nyomásmikrofonokat leginkább a fizikai méreteik befolyásolják. Gömb alakú iránykarakterisztikájuk a frekvencia növekedésével keskenyebb karakterisztikára változik. Ezzel egyidejűleg nyomásfelhalmozódás következik be, ezért a frekvenciaválasz magas frekvenciákon a tengely irányában több dB-es emelkedést mutat.
A nyomásmikrofonok alapkonstrukciója gyakran mutat vágást a magasabb frekvenciákon. Ha a membrán elé rácsot helyezünk, ez az üreg rezonanciával rendelkezik, amely megemeli a magasabb frekvenciákat, hogy elérjük a szükséges egyenletes szabadteres vagy diffúzteres választ.
Különböző tartozékok is használhatók, például akusztikus nyomáskiegyenlítők (APE). Ezek az eszközök tovább növelik a frekvencia visszaadást és az irányíthatóságot.
8-as karakterisztikájú nyomásgradiens mikrofon a határfrekvenciáig diffrakciós problémák nélkül építhető. A határfrekvencia felett a diffrakció és a nyomásfelhalmozódás részben korrigálhatja a csökkenő frekvencia karakterisztikát.
A hangfelvételek szobai rögzítésekor a hangforrástól távolabb (pl. 1-2 m) a közvetlen hangtéren kívül a diffúz tér is jelentősen befolyásolja az érzékelt hangot.
A nyomásgradiens mikrofonok tipikus tervezési célja, hogy a szabadteres karakterisztika és a diffúzteres karakterisztika a frekvenciával minél párhuzamosabban haladjon. Ez lehetővé teszi a „térhatás“, azaz a közvetlen és a visszavert hang arányának megváltoztatását a felvételhez anélkül, hogy a mikrofon frekvencia egyensúlya megváltozna.
Nyomásmikrofonoknál vagy egyenes szabadteres karakterisztikát, vagy egyenes diffúzteres karakterisztikát kell választani. Ezt úgy lehet megtenni, hogy a mikrofonhoz való különböző elülső rácsok közül választunk.
Speciális irányított mikrofonok
Bizonyos helyzetekben szükség lehet erősebb irányítottságú mikrofonokra, mint amit egy kardioid vagy szuperkardioid mikrofon nyújtani tud.
Interferenciacsöves mikrofon
Az interferenciacsöves mikrofon különösen hasznos, ha fókuszált irányítottságra van szükség. Gyakran „ágyú“ vagy „puskamikrofon“ néven emlegetik. Az interferenciamikrofon több, különböző hosszúságú párhuzamos csőből áll, amelyek a mikrofonelemre merőlegesen helyezkednek el. Leggyakrabban azonban egyetlen hálós cső, amelyet egy réselt kemény héjú cső véd.
10. ábra. Interferenciacsöves mikrofon.
Mindkét kialakítás közös működési elve: ha a hang közvetlenül tengelyirányban éri a mikrofont, a hanghullám egyes részei azonos távolságot tesznek meg. Ezáltal egyszerre érik el a nyomásérzékeny elemet, és így fázisban maradnak.
Ha a hang más szögből éri a mikrofont, a hanghullám egyes részei különböző utakon haladnak a nyomásérzékeny elem eléréséig. Az egyes nyomási értékek ezért nem lehetnek azonos fázisúak, és összeadódva olyan hangnyomást képeznek, amely lényegesen kisebb, mint a közvetlen hangbeesés által képzett hangnyomás.
Az oldalról érkező hangnak ez a fázisa a szóban forgó hanghullám hullámhosszától és a hangbeesés szögétől függ.
Mivel a modern interferenciamikrofon hosszú csőből áll, amelynek teljes hosszában rések vannak, az oldalról bejövő hangot egyenletesebben csillapítja, mint azt korlátozott számú cső képes lenne biztosítani. A nyomásérzékeny elemhez legközelebb eső hanghullámok akusztikus csillapítását azonban el kell végezni. Ezért nem csak a réselt cső elkészítése a kérdés, hanem az is, hogy a csőben megfelelő csillapítás legyen.
Mivel a csőben először a hullámhossz felénél nagyobb csőhossz esetén lép fel interferencia, a nagy irányított hatás csak a frekvenciatartomány felső részén érhető el. Ezért a mikrofonelem (cső nélkül) gyakran kardioid mikrofon, hogy az alacsony frekvenciákon némi irányított hatást érjenek el.
11. ábra. Interferenciacsöves mikrofon iránykarakterisztikája.
Az interferenciacsöves mikrofon túlnyomórészt egy irányban érzékeny; azonban tele van oldalnyúlványokkal. Sok esetben a mikrofon tengelyein kívüli frekvenciakarakterisztikák hihetetlenül egyenlőtlenné válnak. Az innen érkező hangok kevésbé szép színezettsége elkerülhetetlen.
Zoom mikrofonok
A zoom mikrofonok kialakításuknál fogva változó irányítottsági tényezőt érnek el. Ez két mikrofonelem egy házban történő összeszerelésével valósul meg. Az egyiket interferenciamikrofonként hozzák létre, és így nagy irányíthatósággal rendelkezik. A másik lehet egy tiszta, 1. rendű nyomásgradiens mikrofon, amely kardioid jellemzőkkel rendelkezik.
Az egyik mikrofonról a másikra történő fokozatos áttéréssel olyan változó iránykarakterisztikát kapunk, amely akusztikailag a fényképészeti zoom funkcióra emlékeztet. A zoom mikrofon azonban korlátokba ütközik, mivel az elérhető maximális irányíthatósági tényező 2.
Parabolaernyő
Lehetőség van arra, hogy egy mikrofonnál fokozott irányítottsági hatást érjünk el, ha azt egy parabolaernyő fókuszpontjában helyezzük el. Ezt az elvet főként a madárhangok rögzítésével foglalkozók használják. Azonban a sportközvetítések is kihasználják az ernyő előnyeit.
12. ábra. Mikrofon egy parabolaernyő fókuszában.
Mivel a parabolaernyőnek kezelhetőségi okokból nem szabad túl nagynak lennie, ez egyben a visszaverhető és így erősíthető frekvenciák alsó határát is jelenti. A gyakorlatban ez a határ valahol 500-1000 Hz között van. E frekvencia alatt a mikrofon úgy viselkedik, mintha nem lenne ernyő.
Határfelület mikrofon
A határfelület mikrofon (BLM) elvileg egy közönséges mikrofonelem, amelyet akusztikai szempontból különleges módon használnak.
Amint a neve is mutatja, ez a mikrofon a határfelületen, vagy a nyomási zónában helyezkedik el.
Ha a hang kemény felületbe ütközik, a hang visszaverődik. Ezért a visszaverődő testhez nagyon közel nyomásnövekedés keletkezik, amelyet a mikrofon érzékel. Így a nyomás a felületen 6 dB-lel erősebb, mint amilyen a visszaverő felület nélkül lenne. Továbbá a diffúz hang csak 3 dB-t erősödik.
Ha a mikrofont közvetlenül a visszaverő felületre helyezzük, 6 dB-lel hangosabb jelet kapunk. Az, hogy a mikrofon képes távolabbi hangforrásokat is magához vonzani, a szabad tér és a diffúz tér arányának 3 dB-es növekedésének köszönhető.
13 a. ábra. Határfelület mikrofonok.
A határfelület mikrofon alapvetően egy nyomásmikrofon típus. Lehetőség van azonban irányított mikrofonelem használatára is, ha azt a visszaverő felülethez rendkívül közel helyezik el.
13 b. ábra. Közvetlen és diffúz hangtér határfelület mikrofonon.
A jelfeldolgozás alkalmazása
Ha különleges tulajdonságokra van szükség, például az irányított jellemzők tekintetében, a digitális jelfeldolgozás előnyösen használható.
Erre példa a KEM (Kardioid - Ebenen - Mikrofon), amelyet az Institut für Rundfunktechnik fejlesztett ki. A mikrofon fordított oszlop-hangsugárzóként működik. A mikrofonelemek tömbje szolgáltatja a jeleket, és az ezt követő digitális folyamat során végzett összegzés/szűrés olyan iránykarakterisztikát eredményez, amely szinte „laposnak mondható, mint egy palacsinta“.
14. ábra. KEM (Kardioid Ebenen Mikrofon) Microtec Gefell.
A sugárformálás az egymás mögött vagy egy nagyobb felületen sorban elhelyezett sok elem jelének feldolgozásával érhető el (pl. mennyezeti mikrofonok, 600 x 600 m).
Az átalakítás elve
Eddig csak azzal foglalkoztunk, hogy a hangtér hogyan hatott a mikrofon membránjára. Ezután azt kell megvizsgálnunk, hogyan alakul át a membrán mozgása elektromos jellé.
A professzionális hangtechnikában a mikrofonokat két fő csoportra osztják:
Dinamikus mikrofonok
- Mozgótekercses mikrofonok
- Szalagmikrofonok
Kondenzátor mikrofonok
- LF kondenzátor mikrofonok
- HF kondenzátor mikrofonok
- Elektret mikrofonok
- (Digitális mikrofonok)
Dinamikus mikrofonok
A dinamikus mikrofonok az indukciós elv alapján működnek. Egy elektromos vezető a hang hatására mágneses mezőben mozog. Ez a vezető végpontjain elektromos feszültséget indukál, amely arányos a vezető sebességével a hangtérben. A kimeneti jel így 90°-kal elfordul a membránnál fellépő hangnyomáshoz képest.
15. ábra. A mozgótekercses mikrofonok elve.
Mozgótekercses mikrofonok
A mozgótekercses mikrofonban a vezető egy műanyagból vagy fémből készült membránhoz rögzített kis tekercs formájában van kialakítva. A tekercset egy erős, kör alakú állandó mágnes légrésében helyezik el. A felépítés nagyon hasonlít az elektrodinamikus hangszóróhoz.
16. ábra. A rezonanciajelenség szabályozása dinamikus hangtekercses mikrofonokban.
Az elektrodinamikus mikrofont egy tömeg/rugó rendszerhez hasonlíthatjuk. A tömeget a membrán és a hangtekercs alkotja, míg a felfüggesztés rugóként viselkedik. A mechanikus rendszerhez hasonlóan a mikrofonnak is lesz rezonanciafrekvenciája. A hangtekercses mikrofonok esetében ez a rezonancia körülbelül 150 és 800 Hz között van, azaz a használható frekvenciatartomány közepén. A membrán csillapítására van szükség a viszonylag egyenes frekvenciaválasz eléréséhez. Ez általában csillapító anyag beiktatásával történik.
Az évek során a mikrofongyártóknak kísérletezniük kellett a megfelelő mechanikai kialakításokkal a széles frekvenciatartomány elérése érdekében. Csillapító anyagok, üregek, csatornák stb. hozzáadásával használható eredményeket értek el. Egy mozgótekercses mikrofon azonban a rezonanciajelenségek miatt szinte mindig hozzáad valamit a hangzáshoz. Ez az egyik oka annak, hogy a mikrofonok olyan különbözően szólhatnak.
Szalag (ribbon) mikrofonok
A szalagmikrofonban a hangtér közvetlenül a vezetőre hat, amelyet jellemzően vékony fémszalagként alakítanak ki. A szalagot a pólusok között egy erős állandó mágnesre függesztik.
17. ábra. Szalagmikrofon.
Amikor a szalag mozog, a szalag végein feszültség keletkezik. Mind a feszültség, mind az impedancia nagyon alacsony, ezért a szalagot magába a mikrofonba épített transzformátorhoz csatlakoztatják.
A szalag tömege kicsi, gyakran kevesebb mint 0,5 mg. A felfüggesztés hihetetlenül puha, ami miatt a rendszer rezonanciája a 20-70 Hz-es tartományban van. Ezért nem a csillapítás határozza meg a frekvenciaválaszt, mint a mozgó tekercses mikrofonoknál, hanem a tömeg.
Ha a hang a szalag mindkét oldalára eljut, akkor ez egy tiszta nyomásgradiens mikrofon, 8-as iránykarakterisztikával. A két nyaláb polaritása ellentétes.
A szalagmikrofonok akusztikusan is párosíthatók, így más iránykarakterisztikát kapnak.
A szalagmikrofonok a lazán felfüggesztett szalag miatt általában meglehetősen érzékenyek a mechanikai behatásokra és a szélnek való kitettségre. Cserébe viszonylag jó tranziens visszaadással rendelkeznek.
Kondenzátor mikrofonok
LF kondenzátor mikrofonok
Az LF kondenzátor mikrofon egy elektromosan vezető membránból áll, amely egy rögzített hátlap/hátlapi elektróda előtt van kifeszítve. Ha a membránt és a hátsó elektródát feszültséggel látjuk el, a két rész között egy elektromos mező jön létre, hasonlóan egy kondenzátor lemezeihez. Ez a mező megfeszíti a membránt.
18. ábra. A kondenzátor mikrofon elve.
Amikor hangnak van kitéve, a membrán és a hátsó elektróda távolsága változik. Vagyis a kapacitás a hangtérrel együtt változik. Mivel az elektromos előfeszítésen keresztül a töltés állandó marad, a kondenzátor mikrofon pillanatnyi feszültsége arányos a membrán semleges helyzetből való elmozdulásával.
A membrán állhat vékony fémfóliából, pl. nikkelből, amelynek vastagsága 2-3 µm. A modern kondenzátor mikrofonok membránja műanyag fóliából készült, gőzzel felvitt fémréteggel, pl. arannyal. Ezek az anyagok kis tömeget eredményeznek, azonban szükség lehet arra, hogy a nagyobb membránokat középen megtámasszák, hogy a membrán és a hátlap ne essen össze és ne zárja rövidre a statikus feszültséget.
19. ábra. Dupla membrános kondenzátor mikrofon.
A kondenzátor mikrofonrendszerben is van rezonancia, de ez a frekvenciatartományban lényegesen feljebb van, mint a dinamikus mikrofon esetében. A membrán csillapítása általában a membrán és a hátsó elektróda között levő levegő miatt történik.
A mikrofonkondenzátor alacsony kapacitása (~ 50 pF) miatt a rendszer nagyon nagy impedanciájú. Ezért szükséges egy erősítőfokozatot a mikrofonrendszer közelében elhelyezni, hogy a jelet szintben és impedanciában a kábelekhez és a későbbi bemenetekhez igazítsuk. Az így kapott impedancia általában 20 és 200 Ω között van.
A kondenzátor mikrofon érzékenysége a polarizációs feszültségtől függ. Ezért különböző iránykarakterisztikákat lehet elérni akár két különálló kapszula, akár két közös elektróda mindkét oldalán elhelyezett két membrán polarizációjának szabályozásával.
20. ábra. Egy duplamembrános kondenzátor mikrofon áramköre kapcsolható iránykarakterisztikával.
A 20. ábra a három fő karakterisztika elérését mutatja: omni (gömb), kardioid és 8-as. Ezek között bármilyen mintázat lehetséges:
Első membrán 0 V
Középső elektróda 25 V
Hátsó membrán 0 V
Mindkét membránnak ugyanaz a potenciálja, 0 volt, a középső elektróda +25 voltjához képest. Ez a konfiguráció két kardioid karakterisztikát eredményez, ellentétes irányban, de fázisban. A két jel elektromos összegzésével gömb alakú irányított mintázatot kapunk.
Elülső membrán 0 V
Középső elektróda 25 V
Hátsó membrán 25 V
A középső elektróda és a hátsó membrán között nincs potenciálkülönbség, az inaktív lesz. Ami megmarad, az az elülső membrán kardioid karakterisztikája.
Elülső membrán 0 V
Középső elektróda 25 V
Hátsó membrán 50 V
A középső elektródához képest mindkét membránon 25 voltos feszültségpotenciál van. Mivel azonban az egyik negatív, míg a másik pozitív, a két rendszer jelei ellentétes fázisúak, ami a nyolcas karakterisztikát eredményezi.
HF kondenzátor mikrofon
A HF kondenzátor mikrofon a mikrofon kondenzátorán kívül tartalmaz egy nagyfrekvenciás oszcillátort és egy demodulátor áramkört. Az LF kondenzátor mikrofontól eltérően a kondenzátorra nem kerül polarizációs feszültség.
Másrészt a hang által okozott kapacitásváltozás modulálja az oszcillátor magas frekvenciáját, amely jellemzően 8 MHz körül lehet.
21. ábra. Az RF-kondenzátor mikrofon elve.
A demodulátor áramkör ezután érzékeli az LF jelet. Csak néhány márka alkalmazza a HF-kondenzátor mikrofon elvét. Ennek azonban vannak bizonyos előnyei, mivel viszonylag érzéketlen a páratartalom és a szigetelési hibák tekintetében.
Elektret mikrofon
Az elektret mikrofon alapvetően LF kondenzátor mikrofonként működik. Ettől eltérően azonban az elektret mikrofonban nem kell külső feszültséget kapcsolni a kondenzátorlemezekre.
Az elektret mikrofon olyan anyagokat tartalmaz, amelyek előzetesen elektromosan polarizáltak, az állandó mágneshez hasonlóan. Az ilyen tulajdonságokkal rendelkező anyagok lehetnek műanyag fóliák (poliészter, PVC, teflon) vagy kerámia elektret anyagok. A polarizáció úgy történik, hogy az anyagot melegített állapotba helyezik, majd az ezt követő lehűlés során elektrosztatikus térbe helyezik, amely a fóliák esetében kb. 20 kV/cm-t jelent. A mező eltávolításakor az anyag megtartja a polarizációs feszültségnek megfelelő töltést, akár 100 V-os nagyságrendben. A polarizáció hő alkalmazása nélkül is bekövetkezhet. Ha az elektromos mező elég erős, a melegítésre nem feltétlenül van szükség.
A fóliák membránként alkalmazhatók, és a kerámia elektródaanyag háttérelektródként működhet (hátsó elektróda mikrofonok).
22. ábra. Az elektret mikrofon elve.
Ha egy ilyen mikrofonhoz még mindig szükség van elemre vagy más külső feszültségre, az a beépített erősítő (impedancia átalakító) miatt van, amely tápfeszültséget igényel.
Az elektret anyagok annyira jól tartják a statikus feszültséget, hogy még mérőmikrofonokban is használják őket, ahol egyébként nagy igény van a stabil érzékenységre.
Digitális mikrofonok
A gyakorlatban három lehetőség van:
1. Analóg mikrofonok beépített A/D átalakítóval
2. Analóg mikrofonok kapcsolódó digitális jelfeldolgozással
3. Félvezető mikrofonok (itt nem említjük)
Analóg mikrofonok beépített A/D átalakítókkal
A mikrofonoknak ez a csoportja az, amely lényegében a digitális mikrofonok kifejezést viseli. Az akusztikus hang analóg, és a használt mikrofonkapszula is az. A rendszer alapja, hogy a jelet közvetlenül a kapszula után digitális kóddá alakítják át egy, magába a mikrofonházba épített átalakítóval.
A digitális kód és az interfész fizikai része az AES3 szabványon alapul. A mikrofonok e csoportjával kapcsolatban használni kívánt interfészre 2001-ben jelent meg egy szabvány: AES 42-2001 (jelenlegi változat: AES42-2019). A szabvány általánosan elfogadott és elvárás, hogy a professzionális hangprodukciókban használt digitális mikrofonok megfeleljenek a szabványnak.
Elv
A mikrofonoknál az átalakítót közvetlenül a mikrofonkapszula után helyezik el, amely kondenzátor típusú. A mikrofon csillapítását biztosító csillapító általában szintén az átalakító előtt helyezkedik el. A kondenzátor mikrofonban a csillapítót egy, a kapszulával párhuzamosan elhelyezett kondenzátor alkotja, amelynek révén a kapszula töltése csökken az érzékenység csökkenésével.
A beépített átalakítónak képesnek kell lennie a mikrofon teljes dinamikájának kezelésére. A jó mikrofonkapszulák dinamikatartománya 125-140 dB is lehet, ami ezért legalább ugyanilyen követelményeket támaszt a konverterekkel szemben. A gyakorlatban olyan megoldásokat láthatunk, ahol két átalakító egyfajta kaszkádkapcsolását kell megvalósítani ahhoz, hogy a szükséges dinamikát el lehessen érni.
23. ábra. A digitális mikrofon elve.
Interfész
A külvilággal való kommunikációhoz az átalakító kimenetét egy szabványosított interfészre kell formázni. Az AES42-2019 a már ismert AES3-on alapul. Ez egy soros interfész, amelyen két csatorna hangadatai továbbíthatók különböző hasznos állapotinformációkkal együtt, mint például az aktuális mintavételi frekvencia, időkód, analóg referenciaszint meghatározása stb. A jelet egy XLR-csatlakozókkal ellátott kétvezetékes kábelen lehet továbbítani.
Az AES42-2001 hasonlóképpen két jelet képes sorosan továbbítani egy kétvezetékes kábelben. A dolog érdekessége, hogy ezzel egyidejűleg a mikrofonhoz távvezérlő jelek is továbbíthatók a mikrofon táplálására szolgáló fantomfeszültséggel együtt. Így lehetővé válik a csillapítás, az iránykarakterisztika, a szűrés és a különböző jelfeldolgozások beállítása a digitális mikrofonokhoz előkészített vezérlődobozon vagy keverőpultokon keresztül. Természetesen ehhez az szükséges, hogy a mikrofon tartalmazza ezeket az opciókat.
Az AES42-2019 jelet egy adott távvezérlő-boxba vagy keverőberendezésbe lehet táplálni, ha ez egyébként rendelkezik digitális mikrofonbemenettel az egyes paraméterek vezérléséhez.
A digitális szinkronizáláshoz általában külső órajel szükséges, nem utolsósorban akkor, ha egynél több digitális mikrofont kívánunk használni.
Analóg mikrofonok digitális jelfeldolgozással
Ha különleges tulajdonságokra van szükség, például az irányíthatóság tekintetében, a digitális jelfeldolgozás előnyösen használható.
Egy példa: a Townsend Labs Sphere egy duplamembrános mikrofon, amely digitális plug-in segítségével vezérelhető. A plug-inben az egyes membránok jeleit feldolgozzák, hogy utánozzák a különböző mikrofonok jellegzetes hangját.
Egy másik példa a digitális feldolgozásra egy olyan mikrofon array-re vonatkozik, mint az MH Acoustics Eigenmike. Ez a mikrofon 32 analóg kapszulát (elektret) tartalmaz, amelyek egy merev gömb felületén vannak elhelyezve.
[Forrás: Brixen & Voetmann: Praktisk Elektroakustik]