Микрофон: принцип работы, история и типы

Введение

Устройство, преобразующее звук в электрический сигнал.

Микрофон, в разговорной речи часто называемый «мик» (/m//aɪ//k/), — это преобразователь, который преобразует звук в электрический сигнал. Микрофоны используются в широком спектре приложений, включая телефоны, слуховые аппараты, системы оповещения для концертных залов и общественных мероприятий, кинопроизводство, живую и студийную звукорежиссуру, звукозапись, двустороннюю радиосвязь, мегафоны, а также радио- и телевещание. Они также применяются в компьютерах и других электронных устройствах, таких как мобильные телефоны, для записи звука, распознавания речи, VoIP и других целей, например, в ультразвуковых или датчиках детонации. Существует несколько типов микрофонов, использующих различные методы для преобразования изменений давления воздуха в звуковой волне в электрический сигнал. Наиболее распространены динамические микрофоны, использующие катушку провода, подвешенную в магнитном поле; конденсаторные микрофоны, использующие вибрирующую диафрагму в качестве обкладки конденсатора; и контактные микрофоны, использующие кристалл пьезоэлектрического материала. Как правило, микрофоны необходимо подключать к предусилителью перед записью или воспроизведением сигнала.

История

Чтобы обратиться к более широкой аудитории, возникла необходимость увеличить громкость человеческого голоса. Первыми устройствами, использовавшимися для этого, были акустические мегафоны. Одним из первых примеров, датируемых V веком до н.э. в Греции, были театральные маски с отверстиями для рта в форме рога, которые акустически усиливали голос актеров в амфитеатрах. В 1856 году итальянский изобретатель Антонио Мюччи разработал динамический микрофон, основанный на генерации электрического тока при перемещении катушки проволоки на разную глубину в магнитном поле. Этот метод модуляции оказался наиболее долговечным и для технологии телефона. Описывая свое устройство, Мюччи в 1857 году писал: «Он состоит из вибрирующей диафрагмы и электрифицированного магнита со спиральной проволокой, обернутой вокруг него. Вибрирующая диафрагма изменяет ток в магнитной цепи. Эти изменения тока, передаваемые по проводу, создают аналогичные вибрации принимающей диафрагмы и воспроизводят речь». В 1861 году немецкий изобретатель Иоганн Филипп Рейс создал ранний звуковой передатчик («телефон Рейса»), использовавший металлическую полоску, прикрепленную к вибрирующей мембране, которая генерировала прерывистый ток. Более качественные результаты были достигнуты в 1876 году с конструкцией «жидкого передатчика» в ранних телефонах Александра Грэма Белла и Элиши Грея – диафрагма крепилась к проводящему стержню в кислотном растворе. Однако эти системы обеспечивали очень низкое качество звука. Первым микрофоном, позволившим реализовать полноценную голосовую телефонию, стал угольный микрофон (с неплотным контактом). Он был независимо разработан Дэвидом Эдвардом Хьюзом в Англии и Эмилем Берлинером и Томасом Эдисоном в США. Хотя Эдисон получил первый патент (после длительного судебного разбирательства) в середине 1877 года, Хьюз продемонстрировал свое рабочее устройство перед многочисленными свидетелями за несколько лет до этого, и большинство историков признают его изобретателем. Микрофон Берлинера добился коммерческого успеха благодаря использованию его Александром Грэмом Беллом в его телефоне, и Берлинер был принят на работу к Беллу. Угольный микрофон сыграл ключевую роль в развитии телефонии, радиовещания и звукозаписи. Томас Эдисон усовершенствовал угольный микрофон, создав свой угольный кнопочный передатчик в 1886 году. В 1916 году Э. К. Венте из Western Electric совершил следующий прорыв, разработав первый конденсаторный микрофон. В 1923 году был создан первый практичный микрофон с подвижной катушкой. Магнитофон Маркони-Сайкс, разработанный капитаном Х. Дж. Раундом, стал стандартом для студий BBC в Лондоне. В 1930 году Алан Блумлейн и Герберт Холман усовершенствовали его, выпустив HB1A, который стал лучшим стандартом того времени. С течением времени эти микрофоны разрабатывались различными компаниями, в частности RCA, которая добилась значительных успехов в управлении диаграммой направленности, обеспечивая микрофонам направленность. С развитием телевизионных и кинотехнологий возник спрос на высококачественные микрофоны с большей направленностью. Electro Voice ответили на это, выпустив в 1963 году свой получивший премию «Оскар» микрофон-пушку. Во второй половине XX века развитие шло быстрыми темпами, и компания Shure Brothers представила модели SM58 и SM57.

In order to speak to larger groups of people, a need arose to increase the volume of the human voice. The earliest devices used to achieve this were acoustic megaphones. Some of the first examples, from fifth century BC Greece, were theater masks with horn shaped mouth openings that acoustically amplified the voice of actors in amphitheaters. In 1856, Italian inventor Antonio Meucci developed a dynamic microphone based on the generation of electric current by moving a coil of wire to various depths in a magnetic field. This method of modulation was also the most enduring method for the technology of the telephone as well. Speaking of his device, Meucci wrote in 1857, "It consists of a vibrating diaphragm and an electrified magnet with a spiral wire that wraps around it. The vibrating diaphragm alters the current of the magnet. These alterations of current, transmitted to the other end of the wire, create analogous vibrations of the receiving diaphragm and reproduce the word." In 1861, German inventor Johann Philipp Reis built an early sound transmitter (the "Reis telephone") that used a metallic strip attached to a vibrating membrane that would produce intermittent current. Better results were achieved in 1876 with the "liquid transmitter" design in early telephones from Alexander Graham Bell and Elisha Gray – the diaphragm was attached to a conductive rod in an acid solution. These systems, however, gave a very poor sound quality. The first microphone that enabled proper voice telephony was the (loose contact) carbon microphone. This was independently developed by David Edward Hughes in England and Emile Berliner and Thomas Edison in the US. Although Edison was awarded the first patent (after a long legal dispute) in mid 1877, Hughes had demonstrated his working device in front of many witnesses some years earlier, and most historians credit him with its invention. The Berliner microphone found commercial success through the use by Alexander Graham Bell for his telephone and Berliner became employed by Bell. The carbon microphone was critical in the development of telephony, broadcasting and the recording industries. Thomas Edison refined the carbon microphone into his carbon button transmitter of 1886. In 1916, E. C. Wente of Western Electric developed the next breakthrough with the first condenser microphone. In 1923, the first practical moving coil microphone was built. The Marconi Sykes magnetophone, developed by Captain H. J. Round, became the standard for BBC studios in London. This was improved in 1930 by Alan Blumlein and Herbert Holman who released the HB1A and was the best standard of the day. Over the years these microphones were developed by several companies, most notably RCA that made large advancements in pattern control, to give the microphone directionality. With television and film technology booming there was a demand for high fidelity microphones and greater directionality. Electro Voice responded with their Academy Award winning shotgun microphone in 1963. During the second half of the 20th century, development advanced quickly with the Shure Brothers bringing out the SM58 and SM57.

Сорты

Микрофоны классифицируются по принципу действия их преобразователя, например, конденсаторные, динамические и т.д., а также по их диаграмме направленности. Иногда для описания микрофона используются и другие характеристики, такие как размер мембраны, область применения или ориентация основного звукового входа относительно главной оси микрофона (фронтальный или боковой приём).

Конденсатор

Конденсаторный микрофон, изобретенный в Western Electric в 1916 году Э. К. Венте, также называется емкостным микрофоном или электростатическим микрофоном – исторически конденсаторы назывались конденсаторами. Диафрагма выполняет роль одной из пластин конденсатора, а звуковые колебания вызывают изменения расстояния между пластинами. Поскольку емкость пластин обратно пропорциональна расстоянию между ними, колебания приводят к изменениям емкости. Эти изменения емкости используются для измерения аудиосигнала. Конструкция из неподвижных и подвижных пластин называется "элементом" или "капсулой". Конденсаторные микрофоны охватывают широкий спектр применения – от телефонных передатчиков и недорогих караоке-микрофонов до микрофонов для высококачественной записи. Они обычно обеспечивают высококачественный аудиосигнал и в настоящее время являются популярным выбором для использования в лабораториях и звукозаписывающих студиях. Естественная пригодность этой технологии обусловлена очень малой массой, которую должна перемещать звуковая волна, в отличие от других типов микрофонов, которым требуется больше энергии для работы. Конденсаторные микрофоны нуждаются в источнике питания, который может подаваться через микрофонные входы оборудования в виде фантомного питания или от небольшой батареи. Питание необходимо для создания напряжения на пластинах конденсатора, а также для питания микрофонной электроники (преобразования импеданса в случае электретных и микрофонов с постоянной поляризацией, демодуляции или детектирования в случае РЧ/ВЧ микрофонов). Конденсаторные микрофоны также доступны с двумя диафрагмами, которые можно электрически соединять для получения различных диаграмм направленности (см. ниже), таких как кардиоидная, всенаправленная и восьмеркообразная. В некоторых микрофонах, например Røde NT2000 или CAD M179, можно плавно изменять диаграмму направленности. Существуют две основные категории конденсаторных микрофонов, в зависимости от метода извлечения аудиосигнала из преобразователя: микрофоны с постоянным смещением и радиочастотные (РЧ) или высокочастотные (ВЧ) конденсаторные микрофоны.

The condenser microphone, invented at Western Electric in 1916 by E. C. Wente, is also called a capacitor microphone or electrostatic microphone—capacitors were historically called condensers. The diaphragm acts as one plate of a capacitor, and audio vibrations produce changes in the distance between the plates. Because the capacitance of the plates is inversely proportional to the distance between them, the vibrations produce changes in capacitance. These changes in capacitance are used to measure the audio signal. The assembly of fixed and movable plates is called an "element" or "capsule". Condenser microphones span the range from telephone transmitters through inexpensive karaoke microphones to high fidelity recording microphones. They generally produce a high quality audio signal and are now the popular choice in laboratory and recording studio applications. The inherent suitability of this technology is due to the very small mass that must be moved by the incident sound wave, unlike other microphone types that require the sound wave to do more work. Condenser microphones require a power source, provided either via microphone inputs on equipment as phantom power or from a small battery. Power is necessary for establishing the capacitor plate voltage and is also needed to power the microphone electronics (impedance conversion in the case of electret and DC polarized microphones, demodulation or detection in the case of RF/HF microphones). Condenser microphones are also available with two diaphragms that can be electrically connected to provide a range of polar patterns (see below), such as cardioid, omnidirectional, and figure eight. It is also possible to vary the pattern continuously with some microphones, for example, the Røde NT2000 or CAD M179. There are two main categories of condenser microphones, depending on the method of extracting the audio signal from the transducer: DC biased microphones, and radio frequency (RF) or high frequency (HF) condenser microphones.

Конденсатор с постоянным током

При конденсаторном микрофоне с постоянным смещением пластины заряжаются фиксированным зарядом (Q). Напряжение, поддерживаемое на обкладках конденсатора, изменяется под воздействием колебаний воздуха в соответствии с уравнением ёмкости (C = ), где Q – заряд в кулонах, C – ёмкость в фарадах, а V – разность потенциалов в вольтах. Конденсатор поддерживает почти постоянный заряд. При изменении ёмкости заряд конденсатора изменяется незначительно, но на слышимых частотах он практически постоянен. Ёмкость капсулы (примерно от 5 до 100 пФ) и величина резистора смещения (от 100 MΩ до десятков GΩ) формируют фильтр, являющийся высокочастотным для аудиосигнала и низкочастотным для напряжения смещения. Важно отметить, что постоянная времени RC-цепи равна произведению сопротивления и ёмкости. В течение времени изменения ёмкости (до 50 мс при звуковом сигнале частотой 20 Гц) заряд практически не меняется, а напряжение на конденсаторе мгновенно изменяется, отражая изменение ёмкости. Напряжение на конденсаторе колеблется выше и ниже напряжения смещения. Разность между напряжением смещения и напряжением на конденсаторе проявляется на последовательном резисторе. Напряжение на резисторе усиливается для работы или записи. В большинстве случаев электроника внутри микрофона не вносит дополнительного усиления напряжения, поскольку разность потенциалов достаточно велика – до нескольких вольт при высокой громкости звука. Поскольку это схема с очень высоким импедансом, обычно требуется только усиление тока, при этом напряжение остаётся практически неизменным.

Конденсатор радиочастотного излучения

Радиочастотные конденсаторные микрофоны используют сравнительно низкое радиочастотное напряжение, генерируемое малошумящим генератором. Сигнал от генератора может быть амплитудно модулирован изменениями ёмкости, вызванными звуковыми волнами, перемещающими диафрагму капсулы, либо капсула может быть частью резонансного контура, модулирующего частоту сигнала генератора. Демодуляция обеспечивает получение малошумящего звукового сигнала с очень низким выходным импедансом. Отсутствие высокого постоянного напряжения позволяет использовать диафрагму с меньшим натяжением, что может быть использовано для достижения более широкой частотной характеристики благодаря большей податливости. Радиочастотное смещение приводит к снижению электрического импеданса капсулы, полезным побочным эффектом чего является возможность работы радиочастотных конденсаторных микрофонов во влажных условиях, которые могут создавать проблемы для микрофонов с постоянным смещением и загрязненными изолирующими поверхностями. Серия микрофонов Sennheiser "MKH" использует технику радиочастотного смещения. Скрытое, дистанционно активируемое применение того же физического принципа было разработано советским российским изобретателем Леоном Термином и использовалось для прослушивания резиденции посла США в Москве в период с 1945 по 1952 год.

Конденсатор электротов

Электретный микрофон – это тип конденсаторного микрофона, изобретённый Герхардом Сесслером и Джимом Вестом в лабораториях Bell в 1962 году. Внешний заряд, используемый в обычном конденсаторном микрофоне, заменяется постоянным зарядом в электретном материале. Электрет – это ферроэлектрический материал, который постоянно электрически заряжен или поляризован. Название происходит от слов «электростатика» и «магнетизм»; статический заряд внедряется в электрет путём выравнивания статических зарядов в материале, подобно тому, как постоянный магнит создаётся выравниванием магнитных доменов в куске железа. Благодаря хорошим характеристикам и простоте производства, а следовательно, низкой стоимости, подавляющее большинство микрофонов, выпускаемых сегодня, являются электретными; производитель полупроводников оценивает годовой объём производства более чем в один миллиард штук. Они используются в широком спектре приложений – от высококачественной записи и лавалье-микрофонов (петличных микрофонов) до встроенных микрофонов в небольших устройствах записи звука и телефонах. До широкого распространения MEMS-микрофонов почти все микрофоны мобильных телефонов, компьютеров, КПК и гарнитур были электретными. В отличие от других конденсаторных микрофонов, они не требуют поляризующего напряжения, но часто содержат встроенный предусилитель, которому требуется питание (часто ошибочно называемое поляризующим питанием или смещением). Этот предусилитель часто питается по схеме фантомного питания в звукоусиливающих и студийных приложениях. Монофонические микрофоны, предназначенные для персональных компьютеров (ПК), иногда называемые мультимедийными микрофонами, используют 3,5-мм разъём, обычно используемый для стерео, без питания; кольцо разъёма, вместо передачи сигнала второго канала, передаёт питание через резистор от (обычно) 5-вольтового источника питания в компьютере. Стереофонические микрофоны используют тот же разъём; не существует очевидного способа определить, какой стандарт используется оборудованием и микрофонами.

Клапанный микрофон

Ламповый микрофон — это конденсаторный микрофон, использующий ламповый усилитель. Они остаются популярными среди любителей лампового звучания.

Динамическая

Динамический микрофон (также известный как микрофон с движущейся катушкой) работает по принципу электромагнитной индукции. Они прочны, относительно недороги и устойчивы к воздействию влаги. Это, в сочетании с их потенциально высоким коэффициентом усиления перед обратной связью, делает их идеальными для использования на сцене. Динамические микрофоны используют тот же динамический принцип, что и в громкоговорителях, но в обратном порядке. Небольшая подвижная индукционная катушка, расположенная в магнитном поле постоянного магнита, прикреплена к диафрагме. Когда звук поступает через защитную сетку микрофона, звуковая волна заставляет диафрагму двигаться. При колебании диафрагмы катушка перемещается в магнитном поле, создавая переменное напряжение в катушке посредством электромагнитной индукции. Одна динамическая мембрана не реагирует линейно на все звуковые частоты. Поэтому некоторые микрофоны используют несколько мембран для разных частей аудиоспектра, а затем объединяют полученные сигналы. Правильное объединение нескольких сигналов – сложная задача; конструкции, реализующие это, редки и, как правило, дороги. С другой стороны, существует ряд конструкций, более специализированных для определенных участков аудиоспектра. Например, AKG D112 предназначен для воспроизведения низких частот, а не высоких.

Лента

Ленточные микрофоны используют тонкую, обычно гофрированную металлическую ленту, подвешенную в магнитном поле. Лента электрически соединена с выходом микрофона, и её колебания в магнитном поле генерируют электрический сигнал. Ленточные микрофоны схожи с динамическими микрофонами в том смысле, что оба преобразуют звук посредством магнитной индукции. Основные ленточные микрофоны улавливают звук по бинаправленной (также называемой "восьмёркой", как показано на диаграмме ниже) диаграмме направленности, поскольку лента открыта с обеих сторон. Кроме того, благодаря значительно меньшей массе лента реагирует на скорость воздушного потока, а не на звуковое давление. Хотя симметричный приём спереди и сзади может быть неудобен при обычной стереозаписи, высокая подавление боковых звуков может быть использовано с выгодой, например, разместив ленточный микрофон горизонтально над тарелками, чтобы задняя доля улавливала звук только от них. Стереозапись схрещенной восьмёркой, или пара Блюмлейна, набирает популярность, и восьмиобразная диаграмма направленности ленточного микрофона идеально подходит для этой задачи. Другие диаграммы направленности создаются путем закрытия одной стороны ленты акустической ловушкой или диффузором, позволяя звуку достигать только одной стороны. Классический микрофон RCA Type 77 DX имеет несколько внешне регулируемых положений внутреннего диффузора, позволяющих выбрать несколько характеристик направленности, от "восьмёрки" до "однонаправленной". Такие старые ленточные микрофоны, некоторые из которых до сих пор обеспечивают высококачественное воспроизведение звука, когда-то ценились по этой причине, но хороший низкочастотный отклик можно было получить только при очень свободном натяжении ленты, что делало их относительно хрупкими. Современные ленточные материалы, включая новые наноматериалы, устраняют эти проблемы и даже улучшают эффективный динамический диапазон ленточных микрофонов на низких частотах. Защитные ветрозащиты могут снизить риск повреждения винтажного ленточного микрофона, а также уменьшить взрывные искажения в записи. Правильно спроектированные ветрозащиты производят незначительное ослабление высоких частот. Как и другие типы динамических микрофонов, ленточные микрофоны не требуют фантомного питания; более того, это напряжение может повредить некоторые старые ленточные микрофоны. Некоторые новые современные конструкции ленточных микрофонов включают в себя предусилитель и, следовательно, требуют фантомного питания, а схемы современных пассивных ленточных микрофонов (то есть без вышеупомянутого предусилителя) специально разработаны для защиты ленты и трансформатора от повреждений при подаче фантомного питания. Также доступны новые ленточные материалы, устойчивые к порывам ветра и фантомному питанию.

Ribbon microphones use a thin, usually corrugated metal ribbon suspended in a magnetic field. The ribbon is electrically connected to the microphone's output, and its vibration within the magnetic field generates the electrical signal. Ribbon microphones are similar to moving coil microphones in the sense that both produce sound by means of magnetic induction. Basic ribbon microphones detect sound in a bi directional (also called figure eight, as in the diagram below) pattern because the ribbon is open on both sides. Also, because the ribbon has much less mass it responds to the air velocity rather than the sound pressure. Though the symmetrical front and rear pickup can be a nuisance in normal stereo recording, the high side rejection can be used to advantage by positioning a ribbon microphone horizontally, for example above cymbals, so that the rear lobe picks up sound only from the cymbals. Crossed figure 8, or Blumlein pair, stereo recording is gaining in popularity, and the figure eight response of a ribbon microphone is ideal for that application. Other directional patterns are produced by enclosing one side of the ribbon in an acoustic trap or baffle, allowing sound to reach only one side. The classic RCA Type 77 DX microphone has several externally adjustable positions of the internal baffle, allowing the selection of several response patterns ranging from "figure eight" to "unidirectional". Such older ribbon microphones, some of which still provide high quality sound reproduction, were once valued for this reason, but a good low frequency response could be obtained only when the ribbon was suspended very loosely, which made them relatively fragile. Modern ribbon materials, including new nanomaterials, have now been introduced that eliminate those concerns and even improve the effective dynamic range of ribbon microphones at low frequencies. Protective wind screens can reduce the danger of damaging a vintage ribbon, and also reduce plosive artifacts in the recording. Properly designed wind screens produce negligible treble attenuation. In common with other classes of dynamic microphone, ribbon microphones do not require phantom power; in fact, this voltage can damage some older ribbon microphones. Some new modern ribbon microphone designs incorporate a preamplifier and, therefore, do require phantom power, and circuits of modern passive ribbon microphones (i. e. those without the aforementioned preamplifier) are specifically designed to resist damage to the ribbon and transformer by phantom power. Also there are new ribbon materials available that are immune to wind blasts and phantom power.

Углерод

Углеродный микрофон был самым ранним типом микрофона. Углеродный кнопочный микрофон (или иногда просто кнопочный микрофон) использует капсулу или кнопку, содержащую углеродные гранулы, сжатые между двумя металлическими пластинами, как в микрофонах Берлинера и Эдисона. На металлические пластины подается напряжение, в результате чего через углерод протекает небольшой ток. Одна из пластин, диафрагма, вибрирует в такт с падающими звуковыми волнами, оказывая переменное давление на углерод. Изменение давления деформирует гранулы, изменяя площадь контакта между каждой парой соседних гранул, что приводит к изменению электрического сопротивления всей массы гранул. Изменения сопротивления вызывают соответствующее изменение тока, протекающего через микрофон, и формируют электрический сигнал. Углеродные микрофоны когда-то широко использовались в телефонах; они характеризуются крайне низким качеством звуковоспроизведения и очень ограниченным диапазоном частот, но при этом являются очень надежными устройствами. Микрофон Буде, использовавший относительно крупные углеродные шарики, был схож с гранулярными углеродными кнопочными микрофонами. В отличие от других типов микрофонов, углеродный микрофон может также использоваться как усилитель, преобразуя небольшое количество звуковой энергии в большее количество электрической энергии. Углеродные микрофоны применялись в качестве первых телефонных репитеров, что сделало возможными междугородные телефонные звонки в эпоху, предшествующую вакуумным лампам. Эти репитеры, известные как реле Брауна, работали за счет механической связи между магнитным телефонным приемником и углеродным микрофоном: слабый сигнал от приемника передавался на микрофон, где он модулировал более сильный электрический ток, создавая усиленный электрический сигнал для передачи по линии. Одним из примеров этого эффекта усиления были колебания, вызванные обратной связью, приводящие к слышимому визгу старого "столбового" телефона, если его наушник подносили к углеродному микрофону.

Пьезоэлектрические

Кристаллический микрофон или пьезомикрофон использует явление пьезоэлектричества — способность некоторых материалов генерировать напряжение при воздействии давления — для преобразования колебаний в электрический сигнал. Примером этого является тартрат калия-натрия, который является пьезоэлектрическим кристаллом, работающим в качестве преобразователя, как микрофона, так и компонента тонкой акустической системы. Кристаллические микрофоны ранее часто поставлялись с ламповым оборудованием, таким как бытовые магнитофоны. Их высокое выходное сопротивление хорошо соответствовало высокому входному сопротивлению (обычно около 10 МΩ) лампового каскада. Их было сложно согласовать с ранним транзисторным оборудованием, и они на некоторое время были быстро заменены динамическими микрофонами, а затем небольшими электретными конденсаторными устройствами. Высокое сопротивление кристаллического микрофона делало его очень чувствительным к шумам от прикосновений, как от самого микрофона, так и от соединительного кабеля. Пьезоэлектрические преобразователи часто используются в качестве контактных микрофонов для усиления звука акустических музыкальных инструментов, для регистрации ударов барабанов, для запуска электронных сэмплов и для записи звука в сложных условиях, например, под водой под высоким давлением. Звукосниматели с седловым креплением на акустических гитарах обычно являются пьезоэлектрическими устройствами, контактирующими со струнами, проходящими через порожек. Этот тип микрофона отличается от магнитных звукоснимателей, обычно видимых на типичных электрогитарах, которые используют магнитную индукцию, а не механическую связь, для улавливания колебаний.

Оптические волокна

Волоконно-оптический микрофон преобразует акустические волны в электрические сигналы, воспринимая изменения интенсивности света, а не изменения ёмкости или магнитных полей, как это делают обычные микрофоны. В процессе работы свет от лазерного источника проходит через оптическое волокно, освещая поверхность отражающей мембраны. Звуковые колебания мембраны модулируют интенсивность света, отражающегося от мембраны в определенном направлении. Модулированный свет затем передается по второму оптическому волокну к фотодетектору, который преобразует свет с модулированной интенсивностью в аналоговый или цифровой аудиосигнал для передачи или записи. Волоконно-оптические микрофоны обладают высоким динамическим и частотным диапазоном, сопоставимым с лучшими высококачественными традиционными микрофонами. Волоконно-оптические микрофоны не реагируют на и не подвержены влиянию электрических, магнитных, электростатических или радиоактивных полей (это называется помехоустойчивостью к EMI/RFI). Конструкция волоконно-оптического микрофона идеально подходит для использования в средах, где обычные микрофоны неэффективны или опасны, например, внутри промышленных турбин или в условиях работы оборудования для магнитно-резонансной томографии (МРТ). Волоконно-оптические микрофоны прочны, устойчивы к изменениям температуры и влажности окружающей среды и могут быть изготовлены с любой диаграммой направленности или импедансным согласованием. Расстояние между источником света микрофона и его фотодетектором может достигать нескольких километров без необходимости использования предварительного усилителя или другого электрического устройства, что делает волоконно-оптические микрофоны подходящими для промышленного и охранного акустического мониторинга. Волоконно-оптические микрофоны применяются в узкоспециализированных областях, таких как мониторинг инфразвука и шумоподавление. Они оказались особенно полезными в медицине, позволяя радиологам, персоналу и пациентам нормально общаться внутри мощного и шумного магнитного поля, как в помещениях для МРТ, так и в комнатах дистанционного управления. Другие области применения включают мониторинг промышленного оборудования, калибровку и измерения звука, высококачественную запись и работу правоохранительных органов.

A fiber optic microphone converts acoustic waves into electrical signals by sensing changes in light intensity, instead of sensing changes in capacitance or magnetic fields as with conventional microphones. During operation, light from a laser source travels through an optical fiber to illuminate the surface of a reflective diaphragm. Sound vibrations of the diaphragm modulate the intensity of light reflecting off the diaphragm in a specific direction. The modulated light is then transmitted over a second optical fiber to a photodetector, which transforms the intensity modulated light into analog or digital audio for transmission or recording. Fiber optic microphones possess high dynamic and frequency range, similar to the best high fidelity conventional microphones. Fiber optic microphones do not react to or influence any electrical, magnetic, electrostatic or radioactive fields (this is called EMI/RFI immunity). The fiber optic microphone design is therefore ideal for use in areas where conventional microphones are ineffective or dangerous, such as inside industrial turbines or in magnetic resonance imaging (MRI) equipment environments. Fiber optic microphones are robust, resistant to environmental changes in heat and moisture, and can be produced for any directionality or impedance matching. The distance between the microphone's light source and its photodetector may be up to several kilometers without need for any preamplifier or another electrical device, making fiber optic microphones suitable for industrial and surveillance acoustic monitoring. Fiber optic microphones are used in very specific application areas such as for infrasound monitoring and noise cancellation. They have proven especially useful in medical applications, such as allowing radiologists, staff and patients within the powerful and noisy magnetic field to converse normally, inside the MRI suites as well as in remote control rooms. Other uses include industrial equipment monitoring and audio calibration and measurement, high fidelity recording and law enforcement.

Лазерный

Лазерные микрофоны часто изображаются в фильмах как шпионские устройства, поскольку их можно использовать для улавливания звука на расстоянии от микрофонного оборудования. Лазерный луч направляется на поверхность окна или другую плоскую поверхность, подверженную звуковому воздействию. Вибрации этой поверхности изменяют угол, под которым луч отражается, а движение лазерного пятна от отраженного луча обнаруживается и преобразуется в аудиосигнал. В более надежной и дорогостоящей реализации отраженный свет разделяется и подается на интерферометр, который обнаруживает движение поверхности по изменению оптической длины пути отраженного луча. Первая реализация представляет собой лабораторный эксперимент, а вторая требует чрезвычайно стабильного лазера и прецизионной оптики. Новый тип лазерного микрофона – это устройство, использующее лазерный луч и дым или пар для обнаружения звуковых колебаний в открытом воздухе. 25 августа 2009 года был выдан патент США № 7 580 533 на микрофон для обнаружения потока частиц, основанный на паре лазерных фотоэлементов с движущимся потоком дыма или пара в пути лазерного луча. Звуковые волны давления вызывают возмущения в дыме, которые, в свою очередь, приводят к изменениям в количестве лазерного света, достигающего фотодетектора. Прототип устройства был продемонстрирован на 127-й конвенции Audio Engineering Society в Нью-Йорке с 9 по 12 октября 2009 года.

Жидкий

Ранние микрофоны не обеспечивали разборчивой речи, пока Александр Грэм Белл не внес усовершенствования, включая микрофон/передатчик с переменным сопротивлением. Жидкий передатчик Белла состоял из металлической чаши, заполненной водой с небольшим добавлением серной кислоты. Звуковая волна заставляла диафрагму двигаться, что приводило к перемещению иглы вверх и вниз в воде. Электрическое сопротивление между проводом и чашей было обратно пропорционально размеру водяного мениска вокруг погруженной иглы. Элиша Грей подал заявку на патент (кавеат) на версию с использованием латунного стержня вместо иглы. Незначительные изменения и улучшения в конструкции жидкостного микрофона были внесены Майоранной, Чемберсом, Ванни, Сайксом и Элишей Греем, а одна из версий была запатентована Реджинальдом Фессенденом в 1903 году. Это были первые работоспособные микрофоны, но они не подходили для коммерческого использования. Знаменитый первый телефонный разговор между Беллом и Уотсоном состоялся с использованием жидкостного микрофона.

МЭМС

Микрофон MEMS (микроэлектромеханические системы) также называют микрофонным чипом или кремниевым микрофоном. Чувствительная к давлению диафрагма формируется непосредственно на кремниевой пластине с использованием технологий MEMS и обычно комплектуется встроенным предусилителем. Большинство микрофонов MEMS являются разновидностями конденсаторных микрофонов. Цифровые MEMS-микрофоны содержат встроенные схемы аналого-цифрового преобразователя (АЦП) на том же CMOS-чипе, что делает чип цифровым микрофоном и облегчает его интеграцию с современной цифровой техникой. Основными производителями кремниевых MEMS-микрофонов являются Wolfson Microelectronics (WM7xxx), теперь Cirrus Logic, InvenSense (линейка продуктов, продаваемая Analog Devices), Akustica (AKU200x), Infineon (продукт SMM310), Knowles Electronics, Memstech (MSMx), NXP Semiconductors (подразделение, приобретенное Knowles), Sonion MEMS, Vesper, AAC Acoustic Technologies и Omron. В последнее время, начиная с 2010-х годов, наблюдается повышенный интерес и ведутся исследования по созданию пьезоэлектрических MEMS-микрофонов, которые представляют собой существенное архитектурное и материальное отличие от существующих конденсаторных MEMS-конструкций.

Плазма

В плазменном микрофоне используется плазменная дуга ионизированного газа. Звуковые волны вызывают колебания давления вокруг плазмы, что, в свою очередь, приводит к изменениям температуры, влияющим на проводимость плазмы. Эти изменения проводимости регистрируются как колебания, наложенные на электрическое питание плазмы. Это экспериментальная разновидность микрофона.

Громкоговорители как микрофоны

Громкоговоритель, преобразователь, преобразующий электрический сигнал в звуковые волны, является функциональной противоположностью микрофона. Поскольку конструкция обычного динамика схожа с конструкцией динамического микрофона (с диафрагмой, катушкой и магнитом), динамики фактически могут работать «в обратном направлении» как микрофоны. Принцип взаимности применим, поэтому полученный микрофон обладает теми же ограничениями, что и одиночный динамик: ограниченным диапазоном воспроизводимых низких и высоких частот, плохо контролируемой диаграммой направленности и низкой чувствительностью. На практике динамики иногда используются в качестве микрофонов в приложениях, где не требуется высокая полоса пропускания и чувствительность, например, в системах внутренней связи, рациях или гарнитурах для голосового чата в видеоиграх, или при нехватке обычных микрофонов. Однако существует как минимум одно практическое применение, которое использует эти ограничения: использование среднеразмерного НЧ-динамика, расположенного вплотную перед «большим барабаном» (бас-барабаном) в ударной установке, в качестве микрофона. Примером коммерческого продукта является Yamaha Subkick – НЧ-динамик, установленный на амортизаторах в 10-дюймовый барабанный корпус и используемый перед большим барабаном. Поскольку относительно массивная мембрана не способна преобразовывать высокие частоты, но при этом выдерживает сильные низкочастотные импульсы, динамик часто идеально подходит для захвата звука большого барабана, одновременно снижая перехват звука от расположенных рядом тарелок и малого барабана.

Конструкция капсулы и направленность

Внутренние элементы микрофона являются основным источником различий в диаграмме направленности. Микрофон, работающий по принципу давления, использует диафрагму, расположенную между фиксированным внутренним объемом воздуха и внешней средой, и равномерно реагирует на давление со всех направлений, поэтому его называют всенаправленным. Микрофон с градиентом давления использует диафрагму, которая по крайней мере частично открыта с обеих сторон. Разница в давлении между этими сторонами определяет его диаграмму направленности. Другие элементы, такие как внешняя форма микрофона и внешние устройства, например, интерференционные трубки, также могут изменять направленные характеристики микрофона. Чистый микрофон с градиентом давления одинаково чувствителен к звукам, приходящим спереди или сзади, но нечувствителен к звукам, приходящим сбоку, поскольку звук, достигающий передней и задней сторон одновременно, не создает градиента между ними. Характерная диаграмма направленности чистого микрофона с градиентом давления имеет форму восьмерки. Другие диаграммы направленности получаются путем создания капсюля, который комбинирует эти два эффекта различными способами. Кардиоида, например, имеет частично закрытую заднюю часть, поэтому ее характеристика является комбинацией свойств, присущих микрофонам, работающим по принципу давления и градиента давления.