Граничные микрофоны: принцип работы и применение.

Введение

Микрофон для использования на поверхности или вблизи нее.

Граничный микрофон (или микрофон зоны давления) состоит из одной или нескольких небольших всенаправленных или кардиоидных конденсаторных капсул, расположенных вплотную к границе (поверхности), такой как пол, стол или стена. Капсулы обычно монтируются в плоскую пластину или корпус. Такая конструкция обеспечивает направленную диаграмму направленности полупространства, при этом выдавая относительно фазокогерентный выходной сигнал. Граничный микрофон можно использовать как микрофон для фортепиано, поместив его внутри крышки инструмента, что позволяет лучше улавливать сочетание резких ударных звуков и мягких обертонов, чем другие типы микрофонов. Граничные микрофоны применяются на бортах хоккейных площадок для записи звуков силовых приемов. Они также часто используются для записи общего звука помещения, например, в конференц-зале, путем установки на стену или стол. При записи солиста или небольшого музыкального ансамбля вместе с акустикой помещения (например, реверберацией) граничный микрофон предотвращает фазовые искажения между прямым и отраженным звуком, обеспечивая естественное звучание с более ровной частотной характеристикой, чем можно получить при использовании микрофона на стойке, расположенного на том же расстоянии (подробное объяснение ниже). Граничные микрофоны обычно дешевле других типов, хотя их цена может варьироваться в зависимости от количества капсул, а также от наличия или отсутствия дополнительных функций, таких как выключатели питания, беспроводные возможности и рычаги для изменения положения капсул. Поскольку это конденсаторные микрофоны, им требуется питание. Граничные микрофоны имеют плоский профиль и менее заметны визуально, например, при установке на конференц-столе, полу или сцене музыкального театра. В то же время, размещение микрофона на столе или полу может увеличить вероятность появления нежелательных звуков от контакта предметов или частей тела с этими твердыми поверхностями.

Развитие и функция

В начале 20-го века физик Людвиг Прандтль изучал движение воздуха и аэродинамические силы между воздухом (или жидкостью) и объектом. 8 августа 1904 года он представил новаторскую работу "О движении жидкостей при очень малом трении" на Третьем Международном математическом конгрессе в Гейдельберге. В этой работе он описал пограничный слой и его важность для сопротивления и обтекаемости. В работе также описывалось отрыв потока, вызванный пограничным слоем. Он обнаружил, что некоторые молекулы воздуха "прилипают" к объекту. Область непосредственно рядом с объектом была названа "пограничным слоем", поскольку она находилась между объектом (без движения воздуха) и свободным потоком воздуха за ним. В 1978 году звукоинженеры Эд Лонг и Рон Викершем изучали влияние пограничного слоя на звукозапись. В исследовании фланцевых микрофонов они обнаружили, что если микрофон находится всего в нескольких миллиметрах от большой поверхности, наблюдается увеличение когерентности звуковых сигналов, поскольку они остаются в фазе после остановки на границе. Точка, где волны останавливались на границе, называлась "полем давления" или "зоной давления". Они также отметили, что использование микрофона в такой конфигурации приводит к увеличению звукового давления на шесть дБ. Всего через два года после исследований Лонга и Викершема, в 1980 году компания Crown Audio разработала и выпустила на рынок первый граничный микрофон. Обычный микрофон, установленный на твердой граничной поверхности или на несколько дюймов над ней, будет улавливать желаемый прямой звук, а также задержанный звук, отраженный от граничной поверхности. Прямой и задержанный отраженный звуки объединяются в микрофоне, создавая гребенчатую фильтрацию, с конструктивной и деструктивной интерференцией, вызывающей пики и провалы в частотной характеристике. Время задержки отражения для большинства микрофонов составляет от 0,1 до 1 миллисекунды, что соответствует частотам подавления в несколько килогерц и их октавным кратным. Поскольку эти частоты слышимы, эффекты подавления также слышны и, как говорят, "окрашивают" результирующий аудиосигнал. Разместив диафрагму микрофонной капсулы параллельно и лицом к граничной пластине, предусмотренной корпусом микрофона, задержка отраженного звука уменьшается, а частоты интерференции гребенчатого фильтра становятся достаточно высокими, чтобы выходить за пределы слышимого диапазона. Термины "граничный микрофон" и "микрофон зоны давления" (или PZM) относятся к одному и тому же общему принципу конструкции. PZM является зарегистрированным товарным знаком компании Crown. Торговая марка Crown для этого подхода – "Фазокогерентная кардиоида" или "PCC", но и другие производители используют эту технику. Radio Shack и Tandy также используют термин PZM для своей конкретной конструкции граничного микрофона, в которой конденсаторная капсула располагалась немного выше базовой пластины. В одном источнике 1986 года используется альтернативный термин "барьерный микрофон" для обозначения подхода граничного микрофона.

In the early 20th century, physicist Ludwig Prandtl studied air movement and aerodynamic forces between air (or fluid) and an object. On August 8, 1904, he delivered a groundbreaking paper, Über Flüssigkeitsbewegung bei sehr kleiner Reibung (On the Motion of Fluids in Very Little Friction), at the Third International Mathematics Congress in Heidelberg. In this paper, he described the boundary layer and its importance for drag and streamlining. The paper also described flow separation as a result of the boundary layer. He discovered that some molecules of air "stick" to the object. The place right next to the object was called the "boundary layer", because it was between the object (no movement of air) and the free flowing stream of air beyond it. In 1978, audio engineers Ed Long and Ron Wickersham studied the effects of the boundary layer in sound recording. In a study of flush mounted microphones, they realized if the mic is only a few millimeters away from a large surface, there is a boost in coherence of sound signals, as they are still in phase after being stopped at the boundary. The
point where the waves were stopped at the boundary was called a "pressure field" or "pressure zone". They also noted that using a mic in this set up leads to a six dB boost in sound pressure. Only two years after Long and Wickersham's research, in 1980 Crown Audio developed and marketed the first boundary mic. A conventional microphone placed on, or a few inches above, a hard boundary surface will pick up the desired direct sound as well as delayed sound reflecting off the boundary surface. The direct and delayed reflected sounds will combine at the microphone to create comb filtering, with constructive and destructive interference causing peaks and valleys in the frequency response. The delay time of the reflection for most microphones would be in the range of 0.1 to 1 milliseconds, corresponding to cancellation frequencies of a few kilohertz and octave multiples. Since these frequencies are audible, the cancellation effects are also audible and are said to "color" the resulting audio signals. By placing the diaphragm of the microphone capsule parallel to and facing the plate boundary provided by the microphone package, the reflected sound delay is reduced, and the resulting comb filter interference frequencies are high enough that they are outside the audible range. The terms "boundary microphone" and "pressure zone microphone" (or PZM) refer to the same general design. PZM is a trademarked by Crown. Crown's trademark on this approach is "Phase Coherent Cardioid" or "PCC," but there are other makers who employ this technique as well. Radio Shack and Tandy also use the PZM term for their particular design of a boundary mic, in which the condenser capsule was positioned slightly higher than the base plate. One 1986 source uses the alternate term "barrier microphone" to refer to the boundary microphone approach.

Особенности варианта

Поскольку одним из преимуществ граничных микрофонов является их менее заметный внешний вид, они могут быть доступны в нескольких цветах, чтобы звукорежиссеры могли выбрать оттенок, который лучше всего сочетается с поверхностью, на которую они будут установлены, для дальнейшего снижения визуальной заметности микрофона. Некоторые граничные микрофоны поставляются с трафаретом для покраски, облегчающим индивидуальную окраску корпуса. Индивидуальная покраска может использоваться для точного соответствия цвета стене, в случаях, когда архитекторы здания стремятся к минимальному визуальному воздействию (например, в исторической церкви или на сцене для классической музыки). Корпус также варьируется в зависимости от предполагаемого использования. Модель, предназначенная для установки на столе, не обязательно должна быть очень прочной, поскольку находится в относительно безопасном от ударов месте. С другой стороны, граничный микрофон, предназначенный для использования на сцене музыкального театра, с большей вероятностью подвергнется ударам (например, на него могут наступить), поэтому ему требуется прочный корпус из толстой стали. Еще одна вариация корпуса – размер. Когда важно скрыть микрофон, например, при кинопроизводстве, может быть предпочтительным корпус меньшего размера. Граничный микрофон Sanken CUB 01 имеет диаметр 32 мм и высоту 12 мм, что облегчает его маскировку при съемках на телевидении и в кино, а также упрощает перемещение или временную установку в различных местах (например, прикрепление к внутренней стороне потолка автомобиля). Граничные микрофоны могут иметь разъемы XLR или 1/4" TRS. Некоторые используют разъемы mini-XLR или 1/8" TRS. Некоторые граничные микрофоны оснащены переключателем "отсечки низких частот" (bass roll-off) для уменьшения гулкости в низкочастотном диапазоне, например, при использовании микрофона для записи речи. Crown PZM 30D имеет переключаемый фильтр, позволяющий выбирать между ровной частотной характеристикой и более "ярким" звуком. Граничный микрофон Gold Line CBM1 и Crown "Sound Grabber II" имеют встроенный аккумулятор для питания конденсатора. Граничный микрофон Schoeps BLM 3 необычен тем, что оснащен капсюлем "преобразователя давления", обеспечивающим полусферическую диаграмму направленности. AKG PZM11 – это влагозащищенный граничный микрофон. Его можно устанавливать на открытом воздухе в таких местах, как зоны обслуживания ресторанов быстрого питания, пункты оплаты на платных дорогах и системы внутренней связи безопасности. Он имеет пластиковую мембрану, которая защищает капсюль от попадания дождевой воды.

Since one of the benefits of boundary microphones is that they are less visually obtrusive, they may be available in several colors, to enable audio engineers to select the color that will blend best with the surface they will be placed on or mounted on, in order to further reduce the mic's visual obtrusiveness. Some boundary mics come with a paint mask to facilitate the custom painting of the housing. Custom painting can be used to provide an exact color match with a wall, in cases where the building architects wish there to be minimal visual impact (e. g. a historical church or a Classical music stage). The housing also varies according to the intended usage. A model intended to be placed on a tabletop does not have to be that heavy duty, as it is in a place where it is relatively safe from impacts. On the other hand, a boundary mic intended for use on a music theater stage is much more likely to face impacts (e. g. being stepped on), so it needs a robust, thick steel casing. Another variation on housing is the size. When concealing the mic is important, such as with film production, a smaller housing may be desirable. Sanken's CUB 01 boundary microphone has a 32 mm diameter and 12 mm height, which makes it easier to hide in TV and film field shooting and easier to reposition or temporarily mount in locations (e. g. taping it onto the inside ceiling of a car). Boundary mics may have XLR or 1/4" TRS jacks. Some use mini XLR or 1/8" TRS jacks. Some boundary mics have a "bass roll off" switch, to reduce boominess in the low frequency range, such as in cases where the mic will be used to pick up speech. The Crown PZM 30D has a switchable filter that allows you to switch between a flat response or a “brighter” sound. Gold Line's CBM1 boundary microphone and Crown's "Sound Grabber II" have an internal battery to power the condenser. Schoeps' BLM 3 boundary microphone is unusual in that it has a "pressure transducer" capsule that provides a hemispherical pickup pattern. AKG's PZM11 is a weather resistant boundary microphone. It can be installed outdoors in places such as fast food restaurant drive through lanes, toll road booths, and security intercoms. It has a plastic membrane that keeps rainwater away from the capsule.