Mikrofony i ich parametry

Mikrofon - przetwornik elektroakustyczny urządzenie umożliwiające przetwarzanie energii akustycznej w energię elektryczną w celu przesyłania informacji dźwiękowych za pośrednictwem przewodów elektrycznych, fal radiowych itp.

Membrana - cienka, sprężysta płytka, drgająca na skutek zmian ciśnienia akustycznego (np. w mikrofonie) lub wskutek zmian strumienia magnetycznego (np. w głośniku). Stosowana jest do przetwarzania drgań mechanicznych w drgania akustyczne i na odwrót.

Mikrofon rejestruje i wzmacnia głos.

Prawie wszystkie mikrofony składają się z membrany, która pod wpływem zmiany ciśnienia wywołanego przez falę akustyczną zostaję wprawiona w drgania mechaniczne, oraz z układu przetwarzającego drgania mechaniczne membrany w sygnały elektryczne. Z punktu widzenia zakresu przetwarzanych częstotliwości fal akustycznych mikrofony można podzielić na:
- odbiorniki akustyczne – znajdujące zastosowanie w radiofonii, telefonii, ambiofonii(korygowaniu warunków akustycznych studia lub sal koncertowych) i miernictwie elektroakustycznym
- odbiorniki ultradźwiękowe – używane w hydrolokacji, defektoskopii ultradźwiękowej i miernictwie ultradźwiękowym.

Mikrofon wynalazł Alexander Graham Bell jako nieco przypadkowy efekt pracy nad prototypem telefonu. W 1878 roku udoskonalony mikrofon zbudował David Edward Hughes. Był to tzw. Mikrofon węglowy, zasilany ze źródła napięcia stałego, które powodowało przepływ prądu przez sproszkowany węgiel umieszczony w pudełku o jednej ruchomej powierzchni, spełniającej funkcję membrany. Ciśnienie akustyczne działające na membranę powodowało ściskanie i rozluźnianie proszku węglowego, a przez to zmianę jego oporności.

Współcześnie mikrofony węglowe, choć wyjątkowo tanie w produkcji, są rzadko wykorzystywane ze względu na niedoskonałość odtwarzania dźwięku. Znacznie większą popularność uzyskał mikrofon magnetoelektryczny (dynamiczny), wynaleziony w 1929 roku. W tym urządzeniu do membrany przymocowana jest nieruchoma cewka z drutu miedzianego. Gdy pobudzona przez dźwięk membrana zacznie się poruszać, ruchowi ulega również cewka zawieszona w silnym polu magnetycznym. Pod wpływem wibracji membrany i ruchu cewki w obwodzie magnetycznym następuje generowanie napięcia, przekazywanego do magnetofonu lud na stół montażowy. Do profesjonalnych nagrań radiowych i muzycznych wykorzystuje się mikrofony pojemnościowe, zaopatrzone w cieniutką membranę, która stanowi jedną z dwóch okładek (o dodatnim ładunku) kondensatora, czyli urządzenia służącego do magazynowania ładunku elektrycznego. Zamocowana na stałe płyta tylna tworzy drugą okładkę, ściągające ładunki ujemne. Fale dźwiękowe powodują drgania membrany, prze co zmienia się odległość między membraną i płytą tylną, a co za tym idzie – wielkość przyciągania ładunku. Konsekwencją zmienności ładunku jest zmienny sygnał w obwodzie elektrycznym, odpowiadający dokładnie wchodzącej fali dźwiękowej. W jeszcze innym rodzaju mikrofonu, tzw. piezoelektrycznym, membrana zamocowana została na krysztale, który wytwarza zmienne napięcie pod wpływem drgań membrany.

Podstawowymi cechami mikrofonów powtarzających pasmo częstotliwości dźwiękowych są:
- skuteczność
- wierność odtwarzania sygnałów akustycznych

Skuteczność mikrofonu to stosunek napięcia uzyskanego z mikrofonu do działającego ciśnienia akustycznego. Zależy ona pośrednio od odporności wejściowej mikrofonu oraz od kąta padania fali na jego membranę. Zależność skuteczności mikrofonu od kierunku padania fali nazywa się charakterystyką kierunkową mikrofonu.

Mikrofony wytwarzają bardzo słaby sygnał. Przed wyemitowaniem, zarejestrowaniem lub odtworzeniem musi on zostać wzmocniony. Następuje to we wzmacniaczu, który zwiększa amplitudę, czyli wielkość fal elektromagnetycznych, nie powodując jednocześnie zmiany ich kształtu (dzięki temu głos słyszany przez odbiorcę nie jest zniekształcony).

Podwodne łowy

Specyficznym rodzajem mikrofonu jest hydrolokator – urządzenie służące do wykrywania i określania położenia przeszkód podwodnych, a w marynarce wojennej – podwodnych okrętów wojennych. Rozróżnia się dwa rodzaje hydrolokatorów:
- pasywne – inaczej zwane szumonamiernikami
- aktywne

Pierwszy typ został skonstruowany w Wielkiej Brytanii w latach 1915-1916 i wykorzystany przez brytyjską marynarkę wojenną podczas I wojny światowej. Konstrukcja ta składa się z hydrofonu umieszczonego pod kadłubem okrętu. Odbiera on szumy wywołane przez kręcącą się śrubę innego okrętu i przekształca je na drgania elektryczne, a następnie na fale dźwiękowe.
Hydrolokator aktywny działa na nieco innej zasadzie: wykorzystuje specjalnie wysłaną wiązkę ultradźwięków. Odbita od przeszkody wiązka powraca do urządzenia; znając charakterystykę fali dźwiękowej (szybkość poruszania się jej w wodzie), można określić dość dokładnie charakter, odległość, kierunek i szybkość poruszającego się obiektu. Projektodawcą tej techniki był Francuz Paul Langevin podczas I wojny światowej. Na podobnej zasadzie działa też echosonda, rodzaj hydrolokatora, który wysyła fale akustyczne o bardzo wysokiej częstotliwości w kierunku pionowym. Urządzenie to znajduje zastosowanie do wyznaczania głębokości wód, położenia skał, gór lodowych, zatopionych wraków, itd. oraz w rybołówstwie do lokalizowania ławic ryb. Echosondę wynalazł Niemiec A. Behm w 1913 roku. Na szerszą skalę systemy hydrolokacyjne zastosowano po raz pierwszy w okresie międzywojennym najpierw w Wielkiej Brytanii w 1924 roku, potem w Stanach Zjednoczonych, Niemczech i Związku Radzieckim; wszystkich użyto podczas II wojny światowej. Współcześnie stosowane hydrolokatory, aktywne i pasywne, są znacznie doskonalsze od wojennych poprzedników, głównie dzięki większemu zasięgowi działania. Obok nich używa się także boi hydrolokacyjnych, pełniących funkcję stałych punktów dozoru przeciw okrętom podwodnym, a także sond hydrolokacyjnych holowanych przez samoloty i śmigłowce.