Электретный микрофон | Основы электроакустики
Главная » Микрофоны
Электретный микрофон
Электретный микрофон — микрофон с принципом действия, сходным с микрофонами конденсаторного типа, использующий в качестве неподвижной обкладки конденсатора и источника постоянного напряжения пластину из электрета. Используется способность этих материалов сохранять поверхностный заряд в течение длительного времени.
Изобретён японским учёным Ёгути в начале 1920-х годов. Первое время микрофоны электретного типа были сравнительно дороги, а их очень высокое выходное сопротивление (в единицы мегаом и выше) заставляло применять для реализации исключительно ламповые схемы. Создание полевых транзисторов привело к появлению чрезвычайно эффективных и компактных электретных микрофонов, совмещённых с собранным в том же корпусе предусилителем на полевом транзисторе, и с 1970-х годов электретные микрофоны стали активно использоваться в бытовой технике и широком спектре приложений.
Принцип действия электретного конденсаторного микрофона основан на способности некоторых диэлектрических материалов (электретов) сохранять поверхностную неоднородность распределения заряда в течение длительного времени.
Тонкая плёнка из гомоэлектрета помещается в зазор конденсаторного микрофона (то есть конденсатора, у которого одна из обкладок (мембрана) имеет возможность перемещаться под действием внешнего акустического сигнала) либо наносится на одну из обкладок. Это приводит к появлению некоторого постоянного заряда конденсатора. При изменении ёмкости, вследствие смещения мембраны, на конденсаторе проявляется изменение напряжения, соответствующее акустическому сигналу.
Принцип действия гетероэлектретного микрофона: В таком микрофоне сама гетероэлектретная плёнка служит мембраной. При её деформации на её поверхностях возникают разноимённые заряды, которые можно зарегистрировать, расположив электроды непосредственно на поверхности плёнки (на поверхность напыляют тонкий слой металла (алюминий, золото, серебро и т.
п.).
В отличие от динамических микрофонов, имеющих низкое электрическое сопротивление катушки (~50 Ом ÷ 1 кОм), электретный микрофон имеет чрезвычайно высокий импеданс (имеющий емкостный характер, конденсатор ёмкостью порядка десятков пФ), что вынуждает подключать их к усилителям с высоким входным сопротивлением. В конструкцию практически всех электретных микрофонов входит предусилитель («преобразователь сопротивления», «согласователь импеданса») на полевых транзисторах, реже на миниатюрных радиолампах, с входным сопротивлением порядка 1 ГОм и выходным сопротивлением в сотни Ом, находящийся в непосредственной близости от капсюля. Поэтому, несмотря на отсутствие необходимости в поляризующем напряжении, такие микрофоны требуют внешний источник электропитания.
История развития микрофона
Конденсаторный микрофон
Устройство и принцип действия микрофонов
Угольный микрофон
Микрофоны
Микрофоны и их основные параметры
Динамический микрофон
Аналоговые компараторы напряжения Устройство и принцип действия
Электретный конденсаторный микрофон Sony | ЕСМ-44БМП
Варианты доставки и скорость доставки могут варьироваться в зависимости от местоположения.
Войдите, чтобы управлять адресами
ИЛИ
Страна АвстралияАвстрияАзербайджанАлбанияАлжирАмериканское СамоаАнгильяАнголаАндорраАнтигуа и БарбудаАргентинаАрменияАрубаАфганистанБагамыБангладешБарбадосБахрейнБеларусьБелизБельгияБенинБермудыБолгарияБоливияБосния и ГерцеговинаБотсванаБразилияБританские Виргинские островаБрунейБуркина-ФасоБурундиБутанВануатуВенгрияВенесуэлаВиргинские острова СШАВосточный ТиморВьетнамГабонГаитиГайанаГамбияГанаГваделупаГватемалаГвинеяГвинея-БисауГерманияГернсиГибралтарГондурасГонконг, КитайГренадаГренландияГрецияГрузияГуамДанияДемократическая Республика КонгоДжерсиДжибутиДоминикаДоминиканская РеспбликаЕгипетЗамбияЗимбабвеИдтиИзраильИндияИндонезияИорданияИрландияИсландияИспанияИталияКабо-ВердеКазахстанКаймановы островаКамбоджаКамерунКанадаКанарские острова,Карибские НидерландыКатарКенияКипрКирибатиКитайКолумбияКоморыКосовоКоста-РикаКот-дИвуарКубаКувейтКыргызстанКюрасаоЛаосЛатвияЛесотоЛиберияЛиванЛитваЛихтенштейнЛюксембургМаврикийМавританияМадагаскарМайоттаМакао, КитайМакедонияМалавиМалайзияМальдивыМальтаМароккоМартиникаМаршалловы островаМексикаМикронезияМозамбикМолдоваМонакоМонголияМонтсерратМьянма [Бирма]НамибияНауруНепалНигерНигерияНидерландыНикарагуаНиуэНовая ЗеландияНовая КаледонияНорвегияОбъединенные Арабские ЭмиратыОманОстрова КукаОстрова Теркс и КайкосПакистанПалауПанамаПапуа — Новая ГвинеяПарагвайПеруПольшаПортугалияПуэрто-РикоРеспублика КонгоРеюньонРоссияРуандаРумынияСамоаСан-МариноСан-Томе и ПринсипиСаудовская АравияСвазилендСвятая ЕленаСвятой Винсент и ГренадиныСеверные Марианские островаСейшелыСенегалСент-Китс и НевисСент-ЛюсияСербияСингапурСирияСловакияСловенияСоединенное КоролевствоСоединенные ШтатыСоломоновы островаСуданСуринамСьерра-ЛеонеТаджикистанТаиландТайвань, КитайТанзанияТонгаТринидад и ТобагоТувалуТунисТуркменистанТурцияУгандаУзбекистанУкраинаУругвайФарерские островаФиджиФилиппиныФинляндияФолклендские островаФранцияФранцузская ГвианаФранцузская ПолинезияХорватияЧадЧерногорияЧешская РеспубликаЧилиШвейцарияШвецияШри-ЛанкаЭквадорЭкваториальная ГвинеяЭль СальвадорЭритреяЭстонияЭфиопияЮжная АфрикаЮжная КореяЯмайкаЯпония
Город
BerlinAach B TrierAach, HegauAachenAalenAarbergenAasbuettelAbbenrodeAbenbergAbensbergAbentheuerAbrahamAbsbergAbstattAbtsbessingenAbtsgmuendAbtsteinachAbtswindAbtweilerAchbergAchernAchimAchslachAchstettenAchtAchtelsbachAchterwehrAchtrupAckendorfAddebuellAdelbergAdelebsenAdelheidsdorfAdelmannsfeldenAdelschlagAdelsdorfAdelsheimAdelshofen, Kr FuerstenfeldbruckAdelshofen, MittelfrAdelsriedAdelzhausenAdenauAdenbachAdenbuettelAdendorfAderstedtAdlersteigeAdligstadtAdlkofenAdmannshagen-BargeshagenAdorf/Vogtl.
Как работает электретный конденсаторный микрофон
Преобразователи — это устройства, преобразующие энергию из одной формы в другую. Микрофон представляет собой преобразователь, который преобразует звуковую энергию в электрические сигналы. Работает напротив динамика (см. как работает динамик). Микрофоны доступны в различных формах и размерах. В зависимости от приложения микрофон может использовать различные технологии для преобразования звука в электрические сигналы. Здесь мы собираемся обсудить электретный конденсаторный микрофон, который широко используется в мобильных телефонах, ноутбуках и т.
д.
Электретный конденсаторный микрофон , как следует из названия, представляет собой плоский конденсатор и работает по принципу переменной емкости. Он состоит из двух пластин, одной неподвижной (называемой задней пластиной) и другой подвижной (называемой диафрагмой) с небольшим зазором между ними. Электрический потенциал заряжает пластину. Когда звук попадает на диафрагму, она начинает двигаться, тем самым изменяя емкость между пластинами, что, в свою очередь, приводит к протеканию переменного электрического тока.
Рис. 1. Изображение электретного микрофона и двух ножек
На приведенном выше изображении показан электретный микрофон . Эти микрофоны широко используются в электронных схемах для обнаружения незначительных звуков или колебаний воздуха, которые, в свою очередь, преобразуются в электрические сигналы для дальнейшего использования. Две ножки, как показано на изображении выше, используются для электрического соединения со схемой.
Пористое покрытие
Рис. 2: Пористый материал, покрывающий верхнюю поверхность
Прочный проводящий металлический корпус покрывает различные части микрофона. Верхняя грань покрыта пористым материалом с помощью клея. Он действует как фильтр для частиц пыли. Звуковые сигналы/колебания воздуха проходят через пористый материал и падают на диафрагму через отверстие, показанное на изображении выше.
Вид сверху
Рис. 3: Вид сверху — мембрана
Диафрагму через отверстие можно увидеть на изображении выше.
Рис. 4: «Капсула» микрофона — изображение, показывающее цилиндрический пластиковый корпус внутри металлического корпуса сборка. Вся эта сборка называется капсулой.
Пластины конденсатора
Рис. 5: Две пластины конденсатора
Две пластины конденсатора, являющегося сердцем конденсаторного микрофона, показаны на изображении выше.
Диафрагма (внутри металлического корпуса) представляет собой очень тонкую пленку проводящего металла. Он деформируемый и эластичный по своей природе. Диафрагма наклеена на сплошное полое кольцо, обеспечивающее необходимую поддержку диафрагмы. Задняя пластина представляет собой толстую сплошную перфорированную металлическую пластину. Он покрыт постоянно заряженным электретным материалом, чтобы исключить необходимость в поляризованном источнике питания. Эти электреты изготавливаются путем плавления диэлектрического материала (например, воска, пластика и т. д.), который содержит полярные молекулы, и их обратного отверждения в сильном электростатическом поле. Полярные молекулы диэлектрического материала наклонены в сторону направления электростатического поля и создают в них постоянное электростатическое смещение. В современных микрофонах в качестве электрического материала используется пластик PTFE (Poly Tetra Fluoro Ethylene).
Конструкция отверстий играет очень важную роль в снижении воздушного демпфирования и механического теплового шума.
Две пластины имеют небольшой зазор между ними, чтобы обеспечить движение диафрагмы. Между двумя пластинами помещена очень тонкая пластиковая пленка для обеспечения электрической изоляции. Диафрагма перемещается в воздушном зазоре между пластинами при малейшем возмущении давления окружающего воздуха звуковым сигналом.
Мембрана и прокладка
Рис. 6: Полое кольцо мембраны
Сплошное полое кольцо мембраны используется для соединения мембраны с внешней металлической оболочкой.
Рис. 7. Пластиковая прокладка между двумя пластинами
Очень тонкая пластиковая прокладка помещена между обеими пластинами для их изоляции, а также для обеспечения зазора для перемещения диафрагмы
Электрическое соединение и полевой транзистор
Рис. 8: Металлическое покрытие мембраны
Диафрагма электрически соединена с одной из ножек микрофона через внешнее металлическое покрытие.
Рис. 9. Полевой транзистор с переходом
JFET-транзистор используется для усиления генерируемого электрического тока. Задняя пластина, закрепленная в капсуле, соединяется с затвором транзистора, исток соединяется с землей внешней цепи, а на стоке появляется электрический сигнал.
Рабочий:
Звук вызывает колебания частиц окружающего воздуха. Когда рядом с микрофоном воспроизводится звук, вибрирующие частицы воздуха ударяются о диафрагму. Результирующее давление воздуха перемещает диафрагму, изменяя расстояние между пластинами. Электретный материал, наклеенный на заднюю пластину, поддерживает постоянный статический заряд на конденсаторе. Соотношение между напряжением, зарядом и емкостью формулируется как V=Q/C.
Емкость конденсатора зависит от расстояния между его пластинами. Когда давление воздуха заставляет диафрагму двигаться вперед и назад, соответственно меняется емкость и, следовательно, меняется напряжение.
Это переменное напряжение создает переменный электрический ток, который соответствует звуковым колебаниям диафрагмы.
Рубрики: Insight
С тегами: конденсаторный микрофон, диафрагма, электретный конденсаторный микрофон, микрофон
электретные микрофоны | Open Music Labs
Электретные микрофоны сегодня наиболее часто используются. Он встроен в каждый мобильный телефон и ноутбук, и многие студийные микрофоны также являются электретными. Они могут иметь чрезвычайно широкую частотную характеристику (от 10 Гц до 30 кГц) и обычно стоят меньше доллара. Они также очень маленькие и довольно чувствительные. Несмотря на эти хорошие характеристики, они также могут иметь несколько недостатков, таких как высокий уровень шума, высокие искажения и неравномерная частотная характеристика. Мы разберем электретный микрофон, объясним, как он работает, и поговорим о причинах его различных атрибутов.
Рисунок 1 – Обычный капсюль электретного микрофона.
Рисунок 2 – Вид спереди.
Рисунок 3 – Вид сзади.
На рисунках 1 – 3 показан стандартный капсюль электретного микрофона со сквозным отверстием. Эта капсула находится на большей стороне и имеет два выхода для монтажа на печатной плате. Капсюль для поверхностного монтажа (SMT) будет иметь только 2 выступа припоя на дне. Также производятся 3 терминальные капсулы, но они не очень распространены. Мы объясним, почему позже.
Верх электретной капсулы часто покрывается пористым материалом, который крепится клеем. Это черный кружок на рисунках 2 и 4. Этот материал защищает чувствительный электретный материал от пыли и другого мусора, а также обеспечивает некоторую защиту микрофона от шума ветра.
Рис. 4. Капсула со снятой пылезащитной крышкой.
Под этой пылезащитной крышкой находится небольшое отверстие в алюминиевой капсуле. Здесь звук попадает в микрофон.
На направленном микрофоне также есть отверстия в задней части капсюля (через печатную плату), которые помогают нейтрализовать звуки с боков.
Алюминиевая капсула содержит сам электретный материал и небольшой усилитель, который можно увидеть на рисунке 5.
Рисунок 5 – Содержимое микрофонной капсулы (пылезащитная крышка, капсула, электретная диафрагма, усилительный модуль).
Электретный материал представляет собой блестящий серебристый круг, показанный в середине рис. 5. Он изготовлен из металлизированной майларовой пленки, приклеенной к металлической шайбе. Также имеется небольшая красная пластиковая прокладка, удерживающая пленку на фиксированном расстоянии от модуля усилителя. И прокладка, и электрет очень тонкие (0,001 дюйма или меньше).
Рисунок 6 – Крупный план пластиковой прокладки и электретной диафрагмы. Обратите внимание, что электретная диафрагма крепится к небольшой металлической шайбе.
Электретный материал способен удерживать постоянный электрический заряд, который не уменьшается со временем.
Это отличается от обычного конденсаторного микрофона, который должен иметь заряд (т.е. фантомное питание). Когда воздух попадает на диафрагму, он перемещается вперед и назад, изменяя расстояние до приемной пластины модуля усилителя, что, в свою очередь, создает разность потенциалов. Как именно это работает, будет объяснено позже, но пластиковая прокладка удерживает диафрагму от соприкосновения с пластиной звукоснимателя модуля усилителя. Ниже показан разобранный вид модуля усилителя.
Рисунок 7 – Модуль усилителя в разобранном виде (плата звукоснимателя, транзистор, пластиковый корпус, печатная плата).
Модуль усилителя состоит из приемной пластины, пластикового корпуса, одного транзистора и печатной платы. Пластина датчика имеет отверстия для прохождения вытесняемого воздуха и соединяется с одним выводом транзистора (обычно небольшой прихваточной сваркой, но иногда под действием силы пружины самого вывода транзистора). Два других вывода транзистора припаяны к плате.
Усилитель состоит из одного полевого транзистора JFET, затвор которого соединен с приемной пластиной, исток соединен с землей, а сигнал появляется на стоке. Это называется конфигурацией с общим источником, поскольку источник подключен к земле, которая является общей для всех сигналов. JFET в этом электретном микрофоне представляет собой 2SK596, который предназначен для приложений с низким уровнем шума. Даташит на него можно найти здесь.
Рисунок 8 – Усилитель транзисторный (2SK596).
Транзистор подключен к печатной плате, которая имеет две проводящие площадки и проводящее кольцо снаружи. Одна из контактных площадок подключена к этому кольцу и действует как дорожка заземления. Когда алюминиевый корпус установлен, он изгибается, соприкасаясь с этим кольцом, заземляя весь корпус.
Рисунок 9 – Плата электретного модуля.
Поскольку электретный материал имеет снаружи проводящую пленку и соединен с металлической шайбой, которая соприкасается с алюминиевой капсулой, вся сборка фактически герметизирована в заземленном корпусе. Поперечное сечение всего модуля электретного микрофона показано ниже.
Рисунок 10 – Поперечный разрез модуля электретного микрофона.
Как видно выше, заряженный электретный материал и пластина звукоснимателя усилителя расположены очень близко друг к другу и имеют большую площадь, обращенную друг к другу, и поэтому создают конденсатор. В старину конденсаторы назывались конденсаторными, отсюда и название конденсаторный микрофон. Электрическая схема полного электретного микрофона показана ниже.
Рисунок 11 – Эквивалентная схема электретного микрофона.
JFET имеет три контакта: затвор (G), сток (D) и исток (S). Затвор является управляющим контактом и идет к одной пластине «конденсатора» микрофона (с электретным материалом, образующим другую пластину).
Исток подключается к земле, а сток подключается к резистору и источнику питания во внешней цепи. В микрофонном элементе с 3 выводами и исток, и сток должны быть выведены, а третий вывод будет использоваться для заземления. Это позволяет использовать другую конфигурацию усилителя.
Итак, как же все это работает?
Электрет поддерживает фиксированный заряд и, следовательно, поддерживает напряжение на конденсаторе. Математическое уравнение для напряжения на конденсаторе: V=Q/C, где Q — заряд конденсатора, а C — емкость. В случае с микрофоном, поскольку диафрагма двигается вперед и назад, форма конденсатора меняется, и соответственно изменяется его емкость. Уравнение для конденсатора с плоскими пластинами: C=e*A/t, где e — константа материала, представляющая свойства материала между пластинами, A — площадь пластин, а t — расстояние между пластинами. По мере того, как электретный материал перемещается из-за изменений звукового давления, t становится больше и меньше, а напряжение изменяется линейно с этим расстоянием, поскольку V=Q/C=Q/(e*A/t)=Q*t/e*A.
Поскольку напряжение на затворе меняется, напряжение между затвором и истоком (Vgs) меняется, поскольку исток заземлен. Это изменение Vgs заставляет JFET проводить больше и меньше, и ток через сток (Id) изменяется, создавая сигнал на резисторе стока (R). Выход берется из стока.
В качестве усилителя используется полевой транзистор JFET, так как он имеет очень высокое входное сопротивление (30 МОм и более). Это означает, что с электретного конденсатора почти не снимается ток. Если бы усилитель имел более низкое входное сопротивление, то пострадала бы низкочастотная характеристика микрофона. Это связано с тем, что входной каскад действует как фильтр верхних частот, где электрет является конденсатором, а вход усилителя — резистором, а большие значения R и C дают более низкие частоты среза.
Где шум?
Основными источниками шума в этом микрофоне являются шум датчика и транзисторный шум. Поскольку вся капсула герметизирована и заземлена, шум срабатывания очень низкий и обычно незаметен.
С другой стороны, шум транзистора может быть довольно высоким из-за высокого входного сопротивления JFET. Типичные значения составляют от -120 дБ до -110 дБ, что может показаться довольно низким, но уровень аудиосигнала обычно меньше -40 дБ, поэтому отношение сигнал/шум (SNR) составляет всего 80 дБ. Это распространенная проблема с конденсаторными микрофонами из-за требуемого высокого входного сопротивления. К счастью, этот минимальный уровень шума не увеличивается заметно с уровнем сигнала, поэтому SNR может значительно улучшиться для высоких уровней звука.
Где искажение?
Недостатком жесткого управления микрофоном является увеличение искажений. Обычный двухконтактный электретный микрофон особенно подвержен этому, поскольку он настроен как усилитель с общим источником. Вход JFET в основном представляет собой диод, что означает, что он имеет такое же нелинейное поведение, как и диод. При колебаниях входного напряжения более 10 мВ или около того вы начинаете видеть довольно сильные искажения.
И, что еще хуже (или лучше, если вам нравятся искажения), эффекты несимметричны, так как диод проводит в одном направлении, а не в другом.
Электретный микрофон с 3 выводами преодолевает некоторые искажения JFET за счет использования конфигурации истокового повторителя, в которой резистор подключается между истоком и землей, так что исток может следовать за сигналом затвора, а падение напряжения на внутреннем диоде может оставаться относительно постоянным. Но эта конфигурация не так распространена, поскольку крупные производственные приложения (например, мобильные телефоны) обычно работают с низкими уровнями входной громкости, и искажения не так важны (в некотором смысле сжатие можно рассматривать как особенность). . Микрофоны с 2 терминалами также требуют менее сложной схемы усилителя и только 2 контактов на разъеме, если используется внешний микрофон.
Другим источником искажений является само движение диафрагмы. Диафрагма движется не идеально прямолинейно к неподвижной пластине звукоснимателя усилителя.
Он изгибается и изгибается, поскольку его края фиксированы, поэтому напряжение также не меняется идеально линейно. Чем сильнее этот изгиб, тем менее линейным он будет реагировать. По этой причине меньшая электретная диафрагма (и меньший капсюль) будет давать меньшие искажения. Он будет иметь меньшую площадь поверхности и, следовательно, меньше изгибаться при заданном звуковом давлении. Это будет поддерживать более низкие напряжения JFET и диафрагму в более линейном диапазоне.
Чем объясняется его частотная характеристика?
Как указывалось ранее, высокое входное сопротивление JFET определяет нижний предел отклика микрофона. С другой стороны, верхний предел зависит от того, насколько быстро диафрагма может двигаться вперед и назад. Вот где электрет сияет, так как материал настолько тонкий и маленький, что может двигаться очень быстро. Он имеет небольшую массу и обычно может вибрировать до 30 кГц. Чем меньше электретный капсюль, тем выше будет частотная характеристика.
Но из-за того, что диафрагма очень легкая и гибкая, она может изгибаться по-разному, что приводит к неравномерной частотной характеристике. И точно так же, как диффузор динамика будет двигаться по-разному в зависимости от громкости и частоты (возбуждая разные колебательные моды), то же самое будет делать и электретная диафрагма. В этом отношении диафрагмы меньшего диаметра лучше, так как они относительно более жесткие в радиальном направлении.
Что определяет его чувствительность?
Чем больше площадь поверхности электрета, тем больше он будет двигаться при заданном звуковом давлении. Таким образом, существует прямой компромисс между другими обсуждаемыми параметрами и чувствительностью. Меньшая диафрагма, как правило, дает лучшие характеристики высоких частот и искажений, но не будет такой громкой и, следовательно, будет иметь худшее соотношение сигнал-шум. Меньшая диафрагма также будет иметь меньшую емкость, поэтому ее низкие частоты будут не такими хорошими.