Transcript EAK Mikrofoni osnovne karaktersitike 1

Elektroakustika
Mikrofoni
Osnovne karakteristike 1
Mikrofoni
Mikrofoni su elektroakustički pretvarači koji akustičku
energiju pretvaraju u električnu.
Pri tome mikrofoni reaguju na promene zvučnog pritiska
ili na promene brzine čestica u zvučnom polju koje ih
okružuje.
Proces pretvaranja akustičke energije u električnu uvek
prolazi kroz dve faze gde se u prvoj akustička energija
pretvara u mehaničku, a zatim mehanička u električnu.
Mikrofoni
Svaki mikrofon ima mehanički oscilatorni sistem sa
pokretnom membranom na koju deluju zvučni talasi.
Membrana je u ovakvom sistemu vezana elastično tako da se
u odsustvu spoljnje sile vraća u svoj početni položaj.
Mikrofoni
Savremeni mikrofoni su
usavršeni do te mere da
imaju vernost reprodukcije
koja se može meriti sa
originalom.
Mikrofoni – malo istorije
1854. g.- prvi pokušaji realizacije mikrofona (takozvani »kontaktni«
mikrofon)
1861. g.Rajs (Reis) je demonstrirao primenu prvog kontaktnog mikrofona
1876. g. prvi upotrebljiv mikrofon, u okviru telefonskog aparata,
patentirao je Bel (Bell).
1890. g. uveden je u primenu mikrofon koji je veoma sličan današnjem
ugljenom mikrofonu.
1917. g. se pojavio elektrostatički mikrofon
1924. g. se pojavio elektrodinamički mikrofon sa trakom, a zatim
elektrodinamički mikrofona sa kalemom
1931. g. uvodi se u proizvodnju kristalni mikrofon
196... g. pojavljuje se elektret mikrofon
Mikrofoni – elektroakustički
pretvarači
Mikrofoni, se dele na neposredne ili prave i posredne ili
relejne pretvarače.
Neposredni - Proces pretvaranja energije odvija se bez
trošenja energije nekog spoljnjeg izvora i reverzibilan je,
odnosno, može da se odvija u oba smera.
Drugim rečima, reverzibilni mikrofon može da radi i kao
zvučnik.
Mikrofoni – elektroakustički
pretvarači
Posredni - u procesu pretvaranja troši se energija
spoljašnjeg izvora - »relejni« princip kod kojeg se ulazna
energija koristi za regulisanje prenosa energije od
pomoćnog izvora do izlaza pretvarača.
Zbog toga kod ovih pretvarača izlazna snaga može biti
veća od ulazne pa oni delom rade ne samo kao pretvarači
već i kao pojačavači. Posredni pretvarači, očigledno, ne
mogu biti reverzibilni.
Mikrofoni –
tehnička
specifikacija
Mikrofoni – osnovne karakteristike
Osetljivost mikrofona
Frekvencijska karakteristika
Karakteristika usmerenosti
Faktor uemerenosti
Dinamički opseg mikrofona
Odnos signal - šum
Impedansa mikrofona
Stepen iskorišćenja
Izobličenja
Osetljivost mikrofona:
TE , p
E
s
p
E - elektromotorna sila na otvorenim krajevima mikrofona,
p – zvučni pritisak u slobodnom zvučnom polju (polje ravnih talasa),
u smeru ose mikrofona, na mestu gde se nalazi mikrofon.
Osetljivost mikrofona se izražava u V/Pa ali se iz praktičnih razloga često
daje i u mV/Pa
Za osetljivost treba dati i tolerancije usled razlika koje nastaju u
proizvodnji. Obično su tolerancije ± 2 dB.
Osetljivost mikrofona:
Indeks pretvaranja mikrofona:
E p
 S v  20log
E0 p 0
dB
Sv  20loge  Lp  94
dB
Ind. TE , p
Napon na otvorenim krajevima referentnog mikrofona je 1 V a zvučni
pritisak 94 dB (1 Pa).
Osetljivost mikrofona
Indeks pretvaranja mikrofona
Ako nije drugačije navedeno osetljivost se uvek odnosi na napon
neopterećenog mikrofona, na frekvenciju 1000 Hz i na smer zvučnih
talasa s prednje strane mikrofona normalno na ravan membrane.
Ako je osetljivost konkretnog mikrofona 2 mV/Pa onda se za indeks
pretvaranja dobija Sv = (20log (2x10-3)- 94 +94) dB =(6-60-94+94)
dB=-54 dB. Trebalo bi uvek dodati: U odnosu na 1V/Pa. Često se sreće
izraz -54 dBV, što znači to isto, jer se pritisak od 1Pa podrazumeva.
Tipične vrednosti indeksa pretvaranja različitih tipova mikrofona:
Elektro-dinamički mikrofon sa trakom: Sv = - 60 dB (Beyer M160)
Elektro-dinamički mikrofon sa kalemom: Sv = - 54 dB (Shure SM57)
Kondnzatorski mikrofon: Sv = -38 dB (Neumann U87)
Osetljivost mikrofona
Indeks pretvaranja mikrofona
Za indeks pretvaranja mikrofona se uvek dobija veliki
negativni iznos u decibelima.
Taj iznos nam govori za koliko dB treba pojačati izlazni
napon mikrofona, dobijen pri pritisku od 1 Pa, da bi se
dostigla vrednost od 1 V, što predstavlja veličinu napona
koji se razvodi po audio instalacijama.
Frekvencijska karakteristika
Frekvencijska karaktersitika mikrofona predstavlja
promenu osetljivosti, izraženu u dB, u funkciji frekvencije, i
daje se u obliku dijagrama,
Frekvencijska karakteristika - primeri
Frekvencijska karakteristika
Vrednosti na frekvencijskoj karakteritici su normalizovane na
vrednost osetljivosti mikrofona na 1000 Hz, što predstavlja
referentnu osetljivost (0 dB).
Iz frekvencijske karakteristike se vidi kolika su kolebanja
osetljivosti mikrofona u odnosu na referentnu vrednost na 1
kHz, kao i kolika je širina radnog područja mikrofona (-3dB).
Kvalitetni studijski mikrofoni imaju približno ravnu
karakteristiku u opsegu frekvencija od 30 Hz do 18 kHz, dok
merni mikrofoni pokrivaju još šire područje sa skoro idealno
ravnom frekvencijskom karakteristikom.
Karakteristika usmerenosti
T
  
T0
 - ugao koji sa osom mikrofona zaklapa pravac dolaska
zvučnih talasa,
T - osetljivost mikrofona pod uglom  ,
T0 - osetljivost mikrofona u smeru ose.
Karakteristika usmerenosti
T
  
T0
Karakteristika
usmerenosti u
logaritamskoj
razmeri
Karakteristika usemrenosti
različite frekvencije
Faktor usmerenosti
 m  4
4
2

 d
4

m
0
Faktor usmerenosti mikrofona predstavlja odnos akustičke energije
koju u difuznom zvučnom polju prima neusmereni mikrofon i energije
koju pod istim uslovima prima usmereni mikrofon, iste osetljivosti u
smeru ose. Ova dva mikrofona bi u slobodnom zvučnom polju,
okrenuta prema izvoru, dala jednake elektromotorne sile na svojim
izlazima.
Faktor usmerenosti, je mera ponašanja mikrofona u difuznom zvučnom
polju. Drugim rečima, potiskivanje reverberacije, šuma i neželjenih
zvukova kod mikrofona raste sa porastom njegove usmerenosti
(direktivnosti).
Faktor usmerenosti
Efektivni prostorni ugao mikrofona je zamišljeni prostorni ugao u kome bi
mikrofon trebalo da ima konstantnu osetljivost jednaku 0 , a da mu
osetljivost izvan tog ugla bude jednaka nuli.
Faktor usmerenosti mikrofona se može dati i u decibelima, kao 10log m ,
a tada se naziva indeks usmerenosti. Jasno je da se ovde upoređivanje
vrši sa neusmerenim mikrofonom kod kojeg je m =1.
Dinamički opseg mikrofona
Dinamički opseg mikrofona
predstavlja razliku između
nivoa najjačeg i najslabijeg
zvuka koji mikrofon može
preneti, uz određeni
definisani iznos izobličenja.
Dinamički opseg mikrofona – sopstveni šum mikrofona
Donja granica dinamičkog opsega određena je vrednošću sopstvenog
šuma mikrofona koji se javlja na njegovom izlazu.
ET N  4 KTRf  1,64 10 20 R f
K – Bolcmanova konstanta (1,38 J/K),
T – temperatura u Kelvinovim stepenima,
R – unutrašnja otpornost mikrofona u omima,
f – širina propusnog opsega mikrofona u Hz.
Dinamički opseg mikrofona
Sopstveni (termički) šum mikrofona na njegovom izlazu se može
izraziti i u dB u odnosu na 1V
L TN /1V = 20log (E TN /1V)
L TN /1V =-198 + 10 log f + 10 log R, dB
Nivo termičkog šuma L TN u odnosu na 1V, u opsegu od 1Hz, na
otpornosti od 1  jednak –198 dB (10 log 4KT = -198 dB).
Dinamički opseg mikrofona
Primer 1
Neka imamo mikrofon impedance 200 , koji pri pritisku od 94 dB (1
Pa) daje izlazni napon od 2 mV u praznom hodu (pri otvorenim izlaznim
krajevima). Frekvencijski opseg mikrofona je u rasponu od 30 Hz do 15
kHz.
Kolika je osetljivost i termički šum ovog mikrofona?
S V = 20 log 0.002 – 94 + 94 = -54 dB/1V/1Pa, odnosno: minus 54 dB
u odnosu na 1V i 1 Pa.
Nivo termičkog šuma na izlazu ovog mikrofona u odnosu na 1V je:
L TN /1V = -198 + 10 log 14 970 + 10 log 200 = -133 dB
E TN = 0,223 V.
Dinamički opseg mikrofona
Vrednost sopstvenog šuma mikrofona se često izražava kao
“ekvivalentni nivo šuma” pod čime se podrazumeva nivo zvučnog
pritiska koji bi stvorio na izlazu mikrofona signal jednak signalu
sopstvenog šuma.
Ekvivalentni nivo šuma se izražava u dBA. Kod kvalitetnih mikrofona
ova vrednost je manja od 15 dBA.
Dinamički opseg mikrofona
Proizvođači mikrofona definuišu maksimalni nivo zvuka pri kojem
mikrofon ima ukupna harmonijska izobličenja (THD) izlaznog signala od
1% (0,5%).
Kako se izobličenja povećavaju linearno sa nivoom ulaznog signala
(pritiska) uvek je moguće naći nivo pritiska pri kojem mikrofon ima bilo
koji drugi procenat THD. THD se udvostručava sa povećanjem nivoa
pritiska za 6 dB.
Dinamički opseg mikrofona
Opseg između nivoa pritiska koji odgovara datom procentu izobličenja
(najčešće 1%) i ekvivalentnog nivoa šuma nazivamo dinamičkim
opsegom mikrofona.
Mikrofon čije su karakteristike date ima izobličenja od 1% pri nivou
pritiska od 132 dB. Njegov ekvivalentni nivo šuma je 17 dBA. Dinamički
opseg ovog mikrofona je (132-17) dB =115 dB
Opseg između nivoa pritiska koji odgovara datom procentu izobličenja
(najčešće 1%) i nivoa pritiska pri kojem dolazi do klipovanja
(odsecanja) vrhova signala nazivamo “rezerva” ili “headroom”.
Odnos signal šum
Odnos signal šum (S/N) izražava relaciju između nominalnog nivoa
zvuka (94 dB) i A-ponderisanog ekvivalentnog nivoa šuma mikrofona.
Odnos signal – šum za mikrofon sa prethodnog slajda je:
S/N = (94 -17) dB = 77 dB
Impedansa mikrofona
Podatak koji nam govori kako se mikrofon ponaša kao generator i kako ga
treba priključiti na ulaz predpojačavača. Daje se za frekvenciju od 1 kHz.
Niska impedansa – 200  (moguć duži priključni kabl); visoka impedansa
50 k  (kratak kabl).
Zi
Prilagođenje po naponu
E
U
Z i  Z p ,U  E
Zp
Ukupna harmonijska izobličenja (THD)
Pomeraji membrane mikrofona su, i pri velikim vrednostima zvučnog
pritiska, veoma mali tako da nelineranost kretnog sistema nema nikakvog
značaja.
Elektrodinamički mikrofon sa kalemom: p =10 Pa (114 dB), amplituda
pomeraja membrane = 10 m.
Elektrodinamički mikrofon sa trakom: amplituda pomeraja veća ali
izobličenja nikada ne prelaze 1%.
Stepen iskorišćenja ()
Stepen iskorišćenja mikrofona: između 0,1 i 1 %.
Glavni razlozi za ovako mali stepen iskorišćenja
• Deo zvučne energije koja stiže do membrane mikrofona reflektuje se i
vraća u okolni prostor.
• Preostali deo pokreće membranu pretvarajući se pri tome u mehaničkim,
akustičkim i električnim elementima u toplotu.
• Slabo prilagođenje akustičke impedanse zvučnih talasa na mehaničku
impedansu membrane.
• Postupak dvostrukog pretvaranja energije, najpre akustičke u mehaničku,
pa onda mehaničke u električnu.
Selecting the right preamp for a given mic, or
conversely selecting the right mic for a given preamp,
involves two major things (and a bunch of minor ones):
• Input headroom – Do you have enough?
• Noise – What will the preamp add to your mic?
You need to determine whether the microphone
under worst-case conditions is going to overload the
preamp input stage and whether the preamp is going
to materially degrade the noise performance of the
microphone.
Actually, microphones have few specifications. Most
Dennis Bohn
Rane Corporation
RaneNote 148
© 2001 Rane Corporation
SELECTING MIC PREAMPS
Another thing to examine is phantom power. Is it
provided? Do you need it? Is it the correct voltage, and
does it source enough current for your microphone? This
is an area where you need to make informed decisions.
There is a huge myth circulating that microphones
sound better running from 48 volts, as opposed to, say,
12 volts, or that you can increase the dynamic range
of a microphone by using higher phantom power. For
the overwhelming majority of microphones both of these
beliefs are false. Most condenser microphones require
phantom power in the range of 12-48 VDC, with many
extending the range to 9-52 VDC, leaving only a very
few that actually require just 48 VDC. The reason is
that internally most designs use some form of current
source to drive a low voltage zener (usually 5 volts;
sometimes higher) which determines the polarization
voltage and powers the electronics. The significance is
that neither runs off the raw phantom power, they both
are powered from a fixed and regulated low voltage
source inside the mic. Increasing the phantom powervoltage is never seen
by the microphone element or
Noise
Microphones and preamps each have their own noise
floors. When selecting a mic preamp you want to know
to what degree the preamp’s noise degrades the noise of
your microphone. Different microphone technologies
use different terminology to describe noise.
Dynamic Microphones. Dynamic microphone data
sheets rarely list noise as a specification since there
is no active circuitry to generate noise; there is only
a magnet and a coil. This category of microphone is
properly called electromagnetic or electrodynamic. The
output noise is very low – so low they just don’t list it.
However, they do generate some noise and it is calculated
by knowing the microphone’s impedance.
Obtain the dynamic microphone impedance rating
from the data sheet and use Table 2 to convert that into
units of dBu, A-weighted. This noise is the white noise
generated by the resistance of the wire used to create
the coil, plus a correction factor of 5 dB for A-weighting.
(This is somewhat arbitrary, as true A-weighting
may decrease the level anywhere from 3-6 dB depending
The noise of the measuring standard 150 Ω (200 Ω
for Europe) source resistor makes a good noise reference
point. From Table 2, find that it equates to –136
dBu (A-weighted; –131 dBu when not). This means that
you cannot have an operating mic stage, with a 150 Ω
source, quieter than –136 dBu (A-weighted, 20°C/68°F,
20 kHz BW). Looking at Table 2 confirms that dynamic
microphones, indeed, are quiet.
Use Table 4 to compare microphone output noise
with preamplifier equivalent input noise (EIN). As an
example, if your dynamic microphone’s output noise
equals –136 dBu and you are considering a preamplifier with a rated EIN of –136 dBu, then the difference
between them is 0 dB and Table 4 lets you know that
this preamp with this microphone will degrade the
total noise by 3 dB. That is, the combination of mic and
preamp adds 3 dB noise to the total. More on how this
table works shortly.
Noise Voltage Useful Values
Spot Noise  1 Hz BW & room temp (24°C)
(as found on data sheets; usually @ 1 kHz)
Wideband Noise  20 kHz BW & room temp
Resistance
Spot Noise
150 
1k
10 k 
1.57 nV/Hz
4 nV/Hz
13 nV/Hz
Wideband Noise
Volts
EIN
0.22 V
0.57 V
1.8 V
-130 dBu
-123 dBu
-113 dBu