วิธีการทำงานของไมโครโฟน ประเภทของไมโครโฟน

อุปกรณ์ไฟฟ้าอะคูสติกพิเศษที่เรียกว่าไมโครโฟนใช้เพื่อแปลงการสั่นสะเทือนของเสียงเป็นกระแสไฟฟ้า ชื่อของอุปกรณ์นี้เกี่ยวข้องกับการรวมกันของคำภาษากรีกสองคำซึ่งแปลว่า "เล็ก" และ "เสียง"

ไมโครโฟนเป็นตัวแปลงการสั่นสะเทือนทางเสียงในอากาศเป็นการสั่นสะเทือนทางไฟฟ้า

หลักการทำงานของไมโครโฟนคือการสั่นสะเทือนของเสียง (จริง ๆ แล้วคือความผันผวนของความดันอากาศ) ส่งผลกระทบต่อเมมเบรนที่ละเอียดอ่อนของอุปกรณ์ และการสั่นสะเทือนของเมมเบรนทำให้เกิดการสั่นสะเทือนทางไฟฟ้าเนื่องจากเป็นเมมเบรนที่เชื่อมต่อกับชิ้นส่วน ของอุปกรณ์ที่สร้างกระแสไฟฟ้าซึ่งอุปกรณ์ดังกล่าวขึ้นอยู่กับชนิดของไมโครโฟนเฉพาะ

ไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง ทุกวันนี้ ไมโครโฟนถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในสาขาต่างๆ ของวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี ศิลปะ ฯลฯ พวกมันถูกใช้ในอุปกรณ์เสียง ในอุปกรณ์พกพา ใช้ในการสื่อสารด้วยเสียง การบันทึกเสียง ในการวินิจฉัยทางการแพทย์ และในการวิจัยอัลตราซาวนด์พวกมันทำหน้าที่เป็นเซ็นเซอร์ และในหลายๆ ด้านของกิจกรรมของมนุษย์ เราไม่สามารถทำอะไรได้หากไม่มีไมโครโฟนในรูปแบบใดรูปแบบหนึ่ง

ไมโครโฟนมีการออกแบบที่แตกต่างกัน เนื่องจากในไมโครโฟนประเภทต่างๆ ปรากฏการณ์ทางกายภาพที่แตกต่างกันมีหน้าที่สร้างการสั่นทางไฟฟ้า ซึ่งหลักๆ ได้แก่: ความต้านทานไฟฟ้า, การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า, การเปลี่ยนแปลงความจุ และ ผลเพียโซอิเล็กทริก... วันนี้ตามหลักการของอุปกรณ์สามารถแยกแยะไมโครโฟนหลักได้สามประเภท: ไดนามิก, คอนเดนเซอร์และเพียโซอิเล็กทริก อย่างไรก็ตาม จนถึงขณะนี้ ไมโครโฟนคาร์บอนยังมีจำหน่ายในบางพื้นที่ และเราจะเริ่มตรวจสอบกับพวกเขา

ไมโครโฟนคาร์บอน

ในปี 1856 นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส ดู มอนเซล ตีพิมพ์งานวิจัยของเขาซึ่งแสดงให้เห็นว่าแม้จะมีการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในพื้นที่สัมผัสของขั้วไฟฟ้ากราไฟท์ แต่ความต้านทานต่อการไหลของกระแสไฟฟ้าก็เปลี่ยนไปอย่างมีนัยสำคัญ

ยี่สิบปีต่อมา นักประดิษฐ์ชาวอเมริกัน เอมิล เบอร์ลิเนอร์ สร้างไมโครโฟนคาร์บอนตัวแรกของโลกจากเอฟเฟกต์นี้ เหตุการณ์นี้เกิดขึ้นเมื่อวันที่ 4 มีนาคม พ.ศ. 2420

การทำงานของไมโครโฟน Berliner นั้นขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของการสัมผัสกับแท่งคาร์บอนเพื่อเปลี่ยนความต้านทานของวงจรเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของพื้นที่สัมผัสที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า

ในเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2421 มีการพัฒนาสิ่งประดิษฐ์ เดวิด ฮิวจ์สซึ่งเป็นผู้ติดตั้งแท่งกราไฟต์ที่มีปลายแหลมและมีเมมเบรนติดอยู่ระหว่างถ้วยคาร์บอนคู่หนึ่ง

เมื่อเมมเบรนสั่นสะเทือนจากการกระทำของเสียง พื้นที่สัมผัสของแกนกับถ้วยก็จะเปลี่ยนไปเช่นกัน และความต้านทานของวงจรไฟฟ้าที่ต่อกับแกนก็เช่นกัน เป็นผลให้กระแสในวงจรเปลี่ยนไปหลังจากการสั่นสะเทือนของเสียง

โทมัส อัลวา เอดิสัน ไปไกลกว่านั้น—เขาเปลี่ยนไม้เท้าด้วยฝุ่นถ่านหิน ผู้ออกแบบไมโครโฟนคาร์บอนที่มีชื่อเสียงที่สุดคือ แอนโทนี่ ไวท์ (2433). ไมโครโฟนเหล่านี้ยังคงสามารถพบได้ในชุดหูฟังของโทรศัพท์แอนะล็อกรุ่นเก่า

ไมโครโฟนคาร์บอนได้รับการออกแบบและทำงานดังต่อไปนี้ ผงคาร์บอน (เม็ด) ที่อยู่ในแคปซูลปิดผนึกจะอยู่ระหว่างแผ่นโลหะสองแผ่น แผ่นด้านหนึ่งของแคปซูลเชื่อมต่อกับเมมเบรน

เมื่อเสียงกระทบกับเมมเบรน มันจะสั่นสะเทือน ส่งแรงสั่นสะเทือนไปยังฝุ่นคาร์บอน อนุภาคฝุ่นสั่นสะเทือนเปลี่ยนพื้นที่สัมผัสกันเป็นครั้งคราว ดังนั้นความต้านทานไฟฟ้าของไมโครโฟนจึงผันผวน เปลี่ยนกระแสในวงจรที่เชื่อมต่อ

ไมโครโฟนตัวแรกเชื่อมต่อเป็นอนุกรม ด้วยแบตเตอรี่กัลวานิค เป็นแหล่งจ่ายแรงดัน

เมื่อไมโครโฟนดังกล่าวเชื่อมต่อกับขดลวดปฐมภูมิของหม้อแปลง สามารถกำจัดเสียงที่ผันผวนตามเวลาด้วยเสียงที่กระทำต่อเมมเบรนจากขดลวดทุติยภูมิ แรงดันไฟฟ้า… ไมโครโฟนคาร์บอนมีความไวสูง ซึ่งทำให้ในบางกรณีสามารถใช้งานได้แม้ไม่มีเครื่องขยายเสียง แม้ว่าไมโครโฟนคาร์บอนจะมีข้อเสียที่สำคัญ — การปรากฏตัวของการบิดเบือนและสัญญาณรบกวนที่ไม่ใช่เชิงเส้นอย่างมีนัยสำคัญ.

ไมโครโฟนคอนเดนเซอร์

ไมโครโฟนคอนเดนเซอร์ (ซึ่งเป็นไปตามหลักการของการเปลี่ยนแปลงความจุไฟฟ้าภายใต้อิทธิพลของเสียง) ถูกคิดค้นโดยวิศวกรชาวอเมริกัน เอ็ดเวิร์ด เวนเต้ ในปี 1916ความสามารถของตัวเก็บประจุในการเปลี่ยนความจุขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงของระยะห่างระหว่างแผ่นเปลือกโลกนั้นเป็นที่รู้จักและศึกษากันดีอยู่แล้วในเวลานั้น

ดังนั้น แผ่นคอนเดนเซอร์แผ่นหนึ่งจึงทำหน้าที่เป็นเยื่อบางๆ ที่เคลื่อนที่ได้ซึ่งไวต่อเสียง เมมเบรนจะเบาและไวเนื่องจากความบาง เนื่องจากพลาสติกบางที่มีชั้นทองหรือนิกเกิลบางที่สุดมักใช้ในการผลิต ดังนั้นแผ่นตัวเก็บประจุที่สองจะต้องได้รับการแก้ไขให้อยู่กับที่

เมื่อแรงดันเสียงแบบสลับกระทำกับแผ่นบาง ๆ จะทำให้เกิดการสั่นสะเทือน—หรือเคลื่อนที่เข้าหา แล้วออกห่างจากแผ่นตัวเก็บประจุตัวที่สอง ในกรณีนี้ความจุไฟฟ้าของตัวเก็บประจุแบบแปรผันดังกล่าวจะแตกต่างกันไปและเปลี่ยนแปลง เป็นผลให้ในวงจรไฟฟ้าที่รวมตัวเก็บประจุนี้ ไฟฟ้า การสั่นซ้ำรูปร่างของคลื่นเสียงที่ตกลงบนเมมเบรน

สนามไฟฟ้าระหว่างเพลตถูกสร้างขึ้นโดยแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าภายนอก (เช่น แบตเตอรี่) หรือโดยการใช้วัสดุโพลาไรซ์เป็นวัสดุเคลือบสำหรับเพลตในขั้นต้น (ไมโครโฟนอิเล็กเตรตคือไมโครโฟนคอนเดนเซอร์ชนิดหนึ่ง)

ต้องใช้พรีแอมพลิฟายเออร์ที่นี่เนื่องจากสัญญาณอ่อนมากเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของความจุจากเสียงกลายเป็นขนาดเล็กมาก เมมเบรนจึงสั่นจนแทบสังเกตไม่เห็น เมื่อวงจรปรีแอมพลิฟายเออร์เพิ่มแอมพลิจูดของสัญญาณเสียง สัญญาณที่ขยายแล้วจะถูกส่งไป ไปยังเครื่องขยายเสียง… ดังนั้น ข้อได้เปรียบประการแรกของไมโครโฟนคอนเดนเซอร์ — มีความไวสูงมากแม้ในความถี่ที่สูงมาก.

ไดนามิกไมโครโฟน

การถือกำเนิดของไมโครโฟนไดนามิกถือเป็นเครดิตของนักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน เกอร์วิน เออร์ลัค และ วอลเตอร์ ชอตต์กี้… ในปี พ.ศ. 2467 พวกเขาแนะนำไมโครโฟนชนิดใหม่ ไมโครโฟนไดนามิก ซึ่งมีประสิทธิภาพเหนือกว่าคาร์บอนรุ่นก่อนในแง่ของความเป็นเชิงเส้นและการตอบสนองความถี่ และเหนือกว่าคู่คอนเดนเซอร์ในพารามิเตอร์ทางไฟฟ้าดั้งเดิม พวกเขาวางริบบิ้นลูกฟูกที่ทำจากอลูมิเนียมฟอยล์บางมาก (หนาประมาณ 2 ไมครอน) ในสนามแม่เหล็ก

ในปี 1931 โมเดลได้รับการปรับปรุงโดยนักประดิษฐ์ชาวอเมริกัน เทอเรส และ เวนเต้… พวกเขาเสนอไมโครโฟนไดนามิก ด้วยตัวเหนี่ยวนำ… โซลูชันนี้ยังคงถือว่าดีที่สุดสำหรับสตูดิโอบันทึกเสียง

ไมโครโฟนไดนามิกขึ้นอยู่กับ ปรากฏการณ์ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า… เมมเบรนติดอยู่กับลวดทองแดงบาง ๆ ที่พันรอบท่อพลาสติกเบาในสนามแม่เหล็กถาวร

การสั่นสะเทือนของเสียงกระทำต่อเมมเบรน เมมเบรนสั่นสะเทือน ทำซ้ำรูปร่างของคลื่นเสียง ขณะที่ส่งการเคลื่อนที่ของมันไปยังเส้นลวด ลวดจะเคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็ก และ (ตามกฎการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า) กระแสไฟฟ้าจะถูกเหนี่ยวนำ ในลวด, ทำซ้ำรูปร่างของเสียง, ตกลงบนเมมเบรน

เนื่องจากลวดที่มีฐานรองเป็นพลาสติกมีโครงสร้างที่ค่อนข้างเบา จึงกลายเป็นอุปกรณ์เคลื่อนที่และไวมาก และแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับที่เกิดจากการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้ามีความสำคัญ

ไมโครโฟนแบบอิเล็กโทรไดนามิกแบ่งย่อยออกเป็นไมโครโฟนแบบขดลวด (ติดตั้งไดอะแฟรมในช่องว่างรูปวงแหวนของแม่เหล็ก), ไมโครโฟนแบบริบบิ้น (ซึ่งใช้ฟอยล์อลูมิเนียมลูกฟูกทำหน้าที่เป็นวัสดุคอยล์), ไอโซไดนามิก เป็นต้น

ไมโครโฟนไดนามิกแบบคลาสสิกมีความน่าเชื่อถือ มีช่วงความไวของแอมพลิจูดที่หลากหลายในช่วงความถี่เสียง และราคาไม่แพงสำหรับการผลิต อย่างไรก็ตาม มันไม่ไวพอที่ความถี่สูงและตอบสนองได้ไม่ดีต่อการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันของแรงดันเสียง ซึ่งเป็นข้อเสียหลักสองประการของมัน

ไมโครโฟนไดนามิกริบบอนแตกต่างกันตรงที่สนามแม่เหล็กถูกสร้างขึ้นโดยแม่เหล็กถาวรที่มีชิ้นขั้ว ระหว่างนั้นมีแถบอะลูมิเนียมบางๆ ซึ่งใช้แทนลวดทองแดง

เทปมีค่าการนำไฟฟ้าสูง แต่แรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำมีขนาดเล็ก ดังนั้นจึงต้องเพิ่มวงจร ก้าวขึ้นหม้อแปลง… สัญญาณเสียงที่เป็นประโยชน์จะถูกลบออกในวงจรดังกล่าวโดยขดลวดทุติยภูมิของหม้อแปลง

ไมโครโฟนไดนามิกแบบริบบิ้นแสดงช่วงความถี่ที่สม่ำเสมอมากซึ่งแตกต่างจากไมโครโฟนไดนามิกทั่วไป

ในฐานะที่เป็นวัสดุแม่เหล็กถาวร ไมโครโฟนใช้โลหะผสมแม่เหล็กแข็งที่มีการเหนี่ยวนำตกค้างสูง (เช่น NdFeB) ตัวเรือนและวงแหวนทำจากโลหะผสมแม่เหล็กอ่อน (เช่น เหล็กไฟฟ้าหรือเพอร์มาลอยด์)

ไมโครโฟนแบบเพียโซอิเล็กทริก

นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย Rzhevkin และ Yakovlev พูดคำศัพท์ใหม่ในเทคโนโลยีเสียงในปี พ.ศ. 2468 พวกเขาเสนอแนวทางใหม่โดยพื้นฐานในการแปลงเสียงให้เป็นเสียงปัจจุบัน นั่นคือไมโครโฟนแบบเพียโซอิเล็กทริก สัมผัสกับการกระทำของแรงดันเสียง คริสตัลเพียโซอิเล็กทริก.

เสียงทำหน้าที่บนเมมเบรนที่ต่อกับแกน ซึ่งจะต่อเข้ากับเพียโซอิเล็กทริก เพียโซคริสตัลจะผิดรูปภายใต้การสั่นสะเทือนของแกน และแรงดันไฟฟ้าจะปรากฏขึ้นที่ขั้วของมัน ทำให้เกิดเสียงซ้ำกับรูปร่างของเสียงที่ตกกระทบ แรงดันไฟฟ้านี้ใช้เป็นสัญญาณที่มีประโยชน์