Como funciona um microfone, tipos de microfones

Dispositivos eletroacústicos especiais chamados microfones são usados ​​para converter vibrações sonoras em corrente elétrica. O nome deste dispositivo está relacionado a uma combinação de duas palavras gregas, que são traduzidas como "pequeno" e "voz".

Um microfone é um conversor de vibrações acústicas no ar em vibrações elétricas.

O princípio de funcionamento do microfone é que as vibrações sonoras (na verdade as flutuações da pressão do ar) afetam a membrana sensível do aparelho, e já as vibrações da membrana causam a geração de vibrações elétricas, pois é a membrana que está conectada à peça do dispositivo que gera corrente elétrica, cujo dispositivo depende do tipo de microfone específico.

De uma forma ou de outra, hoje os microfones são amplamente utilizados em diversos campos da ciência, tecnologia, arte, etc. São utilizados em equipamentos de áudio, em aparelhos móveis, utilizados em comunicação de voz, gravação de voz, em diagnósticos médicos e em pesquisas de ultrassom.eles servem como sensores e, em muitas, muitas outras áreas da atividade humana, simplesmente não se pode prescindir de um microfone de uma forma ou de outra.

Os microfones possuem designs diferentes, pois em diferentes tipos de microfones diferentes fenômenos físicos são responsáveis ​​por gerar oscilações elétricas, sendo os principais: resistência elétrica, Indução eletromagnética, mudança na capacidade e efeito piezoelétrico... Hoje, de acordo com o princípio do dispositivo, três tipos principais de microfones podem ser distinguidos: dinâmico, condensador e piezoelétrico. No entanto, os microfones de carbono também estão disponíveis em alguns lugares até agora e começaremos nossa análise com eles.

microfone de carbono

Em 1856, um cientista francês Du Monsel publicou sua pesquisa, que demonstrou que mesmo com uma pequena mudança na área de contato dos eletrodos de grafite, sua resistência ao fluxo de corrente elétrica muda de forma bastante significativa.

Vinte anos depois, um inventor americano Emil Berliner criou o primeiro microfone de carbono do mundo baseado neste efeito. Isso aconteceu em 4 de março de 1877.

O funcionamento do microfone berlinense baseava-se justamente na propriedade de entrar em contato com hastes de carbono para alterar a resistência do circuito devido a uma alteração na área condutora de contato.

Já em maio de 1878, o desenvolvimento da invenção foi dado David Hughes, que instalou uma haste de grafite com pontas pontiagudas e uma membrana fixada a ela entre um par de copos de carbono.

Quando a membrana vibra pela ação do som sobre ela, a área de contato da haste com os copos também muda, assim como a resistência do circuito elétrico ao qual a haste está conectada. Como resultado, a corrente no circuito mudou após as vibrações do som.

Thomas Alva Edison foi ainda mais longe - ele substituiu a haste por pó de carvão. O autor do design mais famoso do microfone de carbono é Antonio Branco (1890). São esses microfones que ainda podem ser encontrados nos fones de ouvido dos antigos telefones analógicos.

O microfone de carbono foi projetado e funciona da seguinte maneira. O pó de carbono (grânulos) contido em uma cápsula selada está localizado entre as duas placas de metal. Uma das placas de um lado da cápsula é conectada à membrana.

Quando o som age na membrana, ela vibra, transmitindo as vibrações ao pó de carbono. As partículas de poeira vibram, mudando a área de contato umas com as outras de tempos em tempos. Assim, a resistência elétrica do microfone também oscila, alterando a corrente no circuito em que está conectado.

Os primeiros microfones foram conectados em série com uma bateria galvânica como fonte de tensão.

Quando esse microfone é conectado ao enrolamento primário do transformador, é possível eliminar o som que flutua no tempo com o som que atua na membrana de seu enrolamento secundário tensão… O microfone de carbono tem uma alta sensibilidade, o que permite, em alguns casos, usá-lo mesmo sem amplificador. Embora o microfone de carbono tenha uma desvantagem significativa - presença de distorções não lineares significativas e ruído.

Microfone condensador

O microfone condensador (que se baseia no princípio da alteração da capacidade elétrica sob a influência do som) foi inventado por um engenheiro americano Eduardo Wente em 1916A capacidade do capacitor de mudar de capacitância em função da mudança na distância entre suas placas já era bem conhecida e estudada naquela época.

Assim, uma das placas do condensador atua aqui como uma fina membrana móvel sensível ao som. A membrana revela-se leve e sensível devido à sua finura, uma vez que tradicionalmente se utiliza para a sua produção um plástico fino com a camada mais fina de ouro ou níquel. Consequentemente, a segunda placa do capacitor deve ser fixada estacionária.

Quando a pressão sonora alternada age sobre uma placa fina, ela faz com que ela vibre - ou se mova em direção à segunda placa do capacitor. Nesse caso, a capacidade elétrica desse tipo de capacitor variável varia e muda. Como resultado, no circuito elétrico no qual este capacitor está incluído, eletricidade oscilação repetindo a forma da onda sonora caindo na membrana.

O campo elétrico operacional entre as placas é criado por uma fonte de tensão externa (por exemplo, uma bateria) ou pela aplicação inicial de um material polarizado como revestimento de uma das placas (um microfone de eletreto é um tipo de microfone condensador).

Um pré-amplificador deve ser usado aqui, pois o sinal é muito fraco, já que a variação da capacitância do som acaba sendo extremamente pequena, a membrana vibra quase imperceptivelmente. Quando o circuito do pré-amplificador aumenta a amplitude do sinal de áudio, o sinal já amplificado é encaminhado para o amplificador… Daí a primeira vantagem dos microfones condensadores — eles são super sensíveis mesmo em frequências muito altas.

microfone dinâmico

O nascimento de um microfone dinâmico é o crédito de cientistas alemães Gervin Erlach e Walter Schottky… Em 1924, eles introduziram um novo tipo de microfone, o microfone dinâmico, que superou de longe seu predecessor de carbono em termos de linearidade e resposta de frequência, e superou seu homólogo condensador em seus parâmetros elétricos originais. Eles colocaram uma fita corrugada de folha de alumínio muito fina (cerca de 2 mícrons de espessura) em um campo magnético.

Em 1931, o modelo foi aprimorado por inventores americanos. Tøres e vente… Eles ofereceram um microfone dinâmico com um indutor… Esta solução ainda é considerada a melhor para estúdios de gravação.

O microfone dinâmico é baseado em fenômeno da indução eletromagnética… A membrana é presa a um fino fio de cobre enrolado em um tubo de plástico leve em um campo magnético permanente.

As vibrações sonoras atuam na membrana, a membrana vibra, repetindo a forma da onda sonora, enquanto transmite seus movimentos ao fio, o fio se move em um campo magnético e (de acordo com a lei da indução eletromagnética) uma corrente elétrica é induzida no fio, repetindo a forma do som, caindo sobre a membrana.

Como um fio com suporte de plástico é uma construção bastante leve, ele é muito móvel e muito sensível, e a tensão alternada induzida por indução eletromagnética é significativa.

Os microfones eletrodinâmicos são subdivididos em microfones de bobina (equipados com um diafragma na abertura anular do ímã), microfones de fita (nos quais a folha de alumínio corrugado serve como material da bobina), isodinâmicos, etc.

O microfone dinâmico clássico é confiável, possui uma ampla faixa de sensibilidade de amplitude na faixa de frequência de áudio e é barato de fabricar. No entanto, não é sensível o suficiente em altas frequências e reage mal a mudanças repentinas na pressão sonora - essas são duas de suas principais desvantagens.

Um microfone de fita dinâmico difere porque o campo magnético é criado por um ímã permanente com pólos, entre os quais existe uma fina tira de alumínio, que substitui o fio de cobre.

A fita tem alta condutividade elétrica, mas a tensão induzida é pequena, por isso deve ser adicionada ao circuito Transformador step-up… Um sinal sonoro útil é removido em tal circuito pelo enrolamento secundário do transformador.

Um microfone dinâmico de fita exibe uma faixa de frequência muito uniforme, ao contrário de um microfone dinâmico convencional.

Como um material de ímã permanente, os microfones usam ligas magnéticas duras com alta indução residual (por exemplo, NdFeB). O corpo e o anel são feitos de ligas magnéticas macias (por exemplo, aço elétrico ou permalóide).

microfone piezoelétrico

Uma nova palavra em tecnologia de áudio foi dita pelos cientistas russos Rzhevkin e Yakovlev em 1925. Eles propuseram uma abordagem fundamentalmente nova para converter som em oscilações de corrente - um microfone piezoelétrico. A ação da pressão sonora é exposta a cristal piezelétrico.

O som age sobre uma membrana conectada a uma haste, que por sua vez está ligada a um piezoelétrico. O cristal piezo é deformado sob a ação das vibrações da haste, e uma tensão aparece em seus terminais, repetindo a forma do som incidente. Esta tensão é usada como um sinal útil.