میکروفون ها (مبدل های الکتروآکوستیکی)

پایگاه خبری نمانامه: میکروفونها یا مبدل های الکتروآکوستیکی، دستگاههایی هستند که تغییرات انرژی آکوستیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. (ضمناً عکس این مطلب نیز در مورد بلندگوها صادق است). همانطور که می دانیم انرژی صوتی از نوع انرژی مکانیکی است و با جرم، محیط الاستیک و نیرو سر و کار دارد. بنابراین حفظ و انتقال انرژی صوتی (آکوستیکی) در برد زیاد امکان پذیر نیست. فرض کنید انرژی صدای گفتگوی انسان به میزان انرژی رعد و برق (مثلاً db130) باشد، البته می دانیم که برد انتقال این انرژی محدود است، در صورتیکه اگر این انرژی (صوتی) به انرژی الکتریکی تبدیل شود هرگونه تغییر و تبدیل روی آن براحتی امکان پذیر می شود. برای مثال، انرژی الکتریکی را می توان بهر میزان تقویت کرد و آنرا به هر نقطه در فواصل خیلی دور ارسال داشت. مثلاً بردن یک نوار ضبط صوت در هر نقطه و یا انتقال صدای گوینده ای که در جلوی میکروفون در استودیو در یک نقطه از جهان صحبت می کند و این انرژی توسط فرستنده رادیوئی به سایر نقاط با وسعت بسیار پخش می شود. انرژی الکتریکی بوسیله۹ بلندگو مجدداً به انرژی اکوستیکی تبدیل می شود. در این فصل طرز کار این مبدلهای الکتروآکوستیکی را مورد مطالعه قرار می دهیم.

با توجه به ماهیت انرژی آکوستیکی دستگاههائی که کار تبدیل را انجام می دهند به هر ترتیب با عمل مکانیکی سر و کار دارند و سیستمهای نوسان کننده مکانیکی مطرح می شوند. همانطور که اگر شخصی در موقع صحبت کردن یک صفحه کاغذ را بطور کشیده در جلوی دهان خود قرار دهد، متناسب با دامنه و فرکانس انرژی صوت کاغذ به ارتعاش درمی آید، ممبران میکروفون بر اثر صوت ارتعاش می نماید، با استفاده از پدیده های فیزیکی مانند پدیده های القای الکترومانیتیک، اثر پیزد الکتریک، تغییرات ظرفیت خازن و تغییرات مقاومت گردد، ذغال انرژی اکوستیکی به انرژی الکتریکی تبدیل می کند.

قبل از پیشرفت علم الکترونیک و ساختن تقویت کننده های مناسب معمولاً از شرایط نامناسب معمولاً از شرایط نامناسب میکروفون استفاده می شد، زیرا اگر بخواهیم سیگنال خروجی میکروفون بر حسب فرکانس در نوار ۲۰ تا ۲۰۰۰۰ هرتز خطی باشد راندمان میکروفون بسیار ناچیز خواهد بود. بطوریکه اگر سیگنال بلافاصله درون میکروفون تقویت نشود بر اثر ضعیف بودن دامنه سیگنال نویز بسیاری وارد شده و عملاً استفاده از سیگنال با کیفیت مناسب بدون استفاده از تقویت کننده امکان پذیر نمی باشد.

بنابراین در محاسبه میکروفون بدون استفاده از تقویت کننده سعی می شود راندمان نسبتاً بالا باشد که موجب باریک و نماصاف شدن پاسخ فرکانس می شود. مانند میکروفون ذغالی که دارای راندمان خوب بوده ولی پهنای نوار فرکانس آن کم و ناصاف می باشد. امروزه در بیشتر موارد از میکروفونهای با کیفیت خوب در امر صدابرداری در رادیو و تلوزیون و استودیوها استفاده می شود که دارای تقویت کننده های اولیه الکترونیکی می باشد.

ضمناً میکروفونهای با کیفیت عالی برای کارهای دقیق اندازه گیری بدون نویز و بدون دیستورشن ساخته می شود و در نوار فرکانس ۲۰ تا ۲۰۰۰۰ هرتز پاسخ خطی دارند که در آزمایشگاههای تحقیقاتی از آنها استفاده می شود.

میکروفونها تغییرات فشار صورت درون محیط را به تغییرات مشابهی از ولت یا جریان در داخل مدار الکتریکی که متصل به آن است تبدیل می نمایند. که این جریان وارد دستگاههای تقویت کننده شده و پس از عملیات مختلف توسط بلندگو به انرژی صوتی تبدیل می شود. حال در این فصل به معرفی انواع مختلف میکروفونها می پردازیم.

ساختمان میکروفونها

میکروفون ها از نظر ساختمانم به چند دسته تقسیم می شوند. میکروفون های ذغالی، میکروفون های دینامیکی، میکروفون های الکترومغناطیسی، میکروفونهای الکترواستاتیک، میکروفون های نواری و میکروفون های پیزوالکتریکی (کریستالی).

میکروفونهای ذغالی (کربن دار)

میکروفون های ذغالی تشکیل شده از یک مخزن ذرات ذغال، این ذرات ذغال ممکن است به اشکال مختلف هندسی تهیه شود. روی ذرات ذغال یک شاخکی قرار دارد که به دیافراگم یا ممبران متصل است که اگر در مقابل این ممبران یل دیافراگم صوت ایجاد کنیم مرتعش می گردد. ارتعاشات حاصل در ممبران، دقیقاً همان مشخصات ارتعاشات منبع صوت را دارا می باشد. و این تغییرات فشار عیناً به شاخک انتقال می یابد. تغییرات ایجاد شده در ممبران یا شاخک باعث تغییر مقدار فشردگی ذرات ذغال به یکدیگر شده که در نتیجه مقاومت الکتریکی مجموعه مخزن تغییر می یابد. و مشاهده می کنیم که متناسب با همان تغییرات فشار وارده روی ممبراتن جریان I که از مدار عبور می کند تغییر می یابد. یعنی توانسته ایم تغییرات فشار صورت را تبدیل به جریان الکتریسیته نمائیم. که این جریان متغییر را می توان بصورت فشار الکتریکی از دو سر مقاومت باز دریافت کرد.

این ساده ترین و ارزانترین میکروفون است که از سال ۱۹۸۴ تا کنون از آن استفاده می شود. این میکروفون دارای بازده با راندمان زیادی است. بنابراین بدون طبقات تقویت کننده می توان از آن استفاده نمود. ولی در شرایط حرفه ای از آن استفاده نمی شود چون از نظر پهنای باند فرکانسی مطلوب نمی باشد یعنی پهنای باند آن وسیع نیست و کیفیت مطلوب و خوبی را دارا نمی باشد بنابراین از آن فقط برای انتقال سخن در تلفن و در رادیو فقط در ارتباطات داخلی بین افراد استفاده می شود. در شکل زیر نمونه ای از یک پهنای باند فرکانسی در یک میکروفون ذغالی با فشار ثابت دیده می شود.

میکروفون ذغالی از لحاظ پاسخی فرکانسی Frequency Response دارای دو اشکال اساسی و مهم می باشد.

۱-عرض باند آن (پهنای باند فرکانسی) محدود است به این ترتیب که هم از نظر فرکانس های بالا و پایین در عبورش محدودیت دارد. پهنای باند فرکانسی این میکروفون بین HZ300 تا HZ3500 نیز می باشد.

۲-همین عرض باند نیز خطی نیست. منظور از خطی نبودن همان تغییرات سطح دامنه باند فرکانسی نیز می باشد. همانطور که بیانم شد از این میکروفون در صنعت تلفن استفاده می شود چرا که در این جا، فقط هدف ما رساندن پیام می باشد و کیفیت صدا برای ما مطرح نیست. حتی این نوع میکروفون در دستگاههای خانگی نیز استفاده نمی شود.

میکروفونهای دینامیکی (Moving Coil Nie)

میکروفونهای دینامیکی تشکیل شده از یک ممبران از جنس سبک نظیر کاغذ، پلاستیک و با آلومینیوم که یک سیم پیچ به ممبران (دیافراگم) متصل است و این سیم پیچ می تواند در داخل شکاف قطبین یک آهن ربا حرکت نماید. بنابراین وقتی که فشار صوتی روی این ممبران وارد می آید ممبران و در نتیجه سیم پیچ متصل به آن با همان ریتم تغییرات صوتی نوسان می نمایند، از حرکت سیم پیچ در داخل میدان مغناطیسی یک جریان الکتریکی روی سیم پیچ القا می گردد که ریتم تغییرات این جریان درست با ریتم تغییرات فشار وارده روی ممبران است.

این میکروفون، اولین خانواده میکروفونی است که بطور حرفه ای استفاده می شود و در این میکروفون مغناطیس ثابت و سیم پیچ (Coil) متحرک و جریانی حدود دهم میلی ولت ایجاد می شود و در میکروفون های حرفه ای حدود mv2/0 است.

علت اینکه این میکروفون ها در مصارف حرفه ای استفاده می شود داشتن عرض باند خطی وسیعی است ولی قیمت آن بسیار گران می باشد. این میکروفون ها نسبت به میکروفون ذغالی راندمان کمتری دارد ولی دارای کیفیت بهتری است و در صنایع حرفه یا مخصوصاً در صدا و سیما بنحو احسن استفاده می گردد و از این میکروفون برای ضبط گفتار استفاده می شود. ضمناً برای زیاد کردن راندمان این نوع میکروفون با قرار دادن سوراخ در پشت دیافراگم که به فضای خارج متصل باشد و با محاسبه سطح و طول سوراخ یک مقدار از انرژی صوتی را با ۱۸۰ درجه اختلاف فاز به پشت دیافراگم منتقل می نمایند این فیدبک به حرکت به ممبران کمک کرده و راندمان

میکروفون زیاد می شود.

حساسیت ولتاژ مدار باز این میکروفون با پیچک متحرک (سیم پیچ) تقریباً برابر با ۵-۱۰×۴/۲ ولت بر میکروبار، و یا db4/92 – دسی بل می باشد و نسبت به میکروفون خازنی کریستالی (بعداً توضیح داده می شود) از حساسیت کمتری برخوردار می باشد. امپدانس خروجی میکروفون حدود ۱۰ اهم است که نسبت به میکروفونهای خازنی و کریستالی خیلی ناچیز است و بوسیله ترانسفورماتور بالابرنده ولتاژ در بدنه میکروفون عمل تطبیق امپدانس را انجام میدهد. در ضمن میکروفون الکترودینامیکی بدون تقویت کننده مقدماتی استفاده می شود و می توان با کابل نسبتاً طولانی سیگنال را از آن انتقال داد.

پاسخ فرکانس این نوع میکروفون حدود ۱۰ تا ۱۴ کیلوهرتز می باشد و در ضبط صدای گوینده و رپرتاژ و تئاتر و … از آن استفاده می شود.

میکروفونهای الکترومغناطیسی (Moving Magnet Mic)

این میکروفونها از یک آهن ربای نعلی تشکیل یافته که دور قطبین آن سیم پیچ قرار دارد و ممبران آن از جنس فولاد است و وقتی که بر اثر ارتعاشات صوتی ممبران مرتعش می گردد صفحه فولاد به دو قطب آهن ربا دور و نزدیک می شود، بنابراین میدان مغناطیسی در دو قطب تغییر می یابد و این میدان در داخل آهن ربا تغییر می کند و روی سیم پیچها یک جریان الکتریکی القا می گردد که ریتم تغییرات ارتعاشات صوتی است که روی ممبران وارد گردیده است. نوعی دیگر از این میکروفونها بدین صورت است که بخشی از ممبران را که در برابر قطبهای آهن ربای NS دائمی است با پولکی از آهن ربای نرم می پوشانند تا از لرزشهای این پولک آهنی مقاومت مغناطیسی شکاف هوائی را تغییر دهد. بنابراین لرزش ممبران باعث ایجاد جریانی در سیم پیچهای روی آهن ربا می گردد.

راندمان این میکروفون  میکروفونهای ذغالی است ولی باند فرکانسی وسیع تری دارد. این میکروفون بعلت وزن زیاد آن در حال حاضر استفاده زیادی ندارد. و همچنین وزن زیاد ممبران بازدهی میکروفون را  در فرکانسهای بالا کاهش می دهد.

میکروفونهای پیزوالکتریک (کریستالی) (Pizoelectric Mic)

بعضی از عناصر مانند بلور کوارتز، نمک راشل و دی هیدروفسفاتت آمونیم و مواد سرامیکی ریخته شده از قبیل تیتانات دوباریم، دارای خاصیت پیزوالکتریک هستند. یکی از بلورها که در مقابل حرارت پایدار و بصورت خطی کار می نماید. بلور کوارتز می باشد که در الکتروآکوستیک از آن برای ساختن میکروفون، بلندگو و پیکاپهای گرام استفاده می شود. نوع بلوری که بیشتر بکار می رود بلور با برش X نامیده یم شود که مانند شکل از بلور طبیعی بریده ایم شود.

میکروفون کریستالی، میکروفونی می باشد که در آن از خاصیت پیزوالکتریک بعضی از کریستالها استفاده می شود بدین معنی که تغییرات فشار وارد بر روی این نوع کریستال جریان متناوبی متناسب با فشار وارده در دو سر کریستال ایجاد می کند.

دو نوع میکروفون کریستالی وجود دارد، یکنوع از آن فشار صوت مستقیماً بر صفحه کریستال تأثیر می نماید که دارای بازده بسیار کم در حدود ۴/۰ ولت برای هر میکروبار می باشد و نوع دوم، فشار صوت به یک ممبران فلزی وارد می شود و حرکات ممبران بوسیله میله ای که در پشت آن قرار دارد به کریستال منتقل می شود که البته این نوع دارای بازده بیشتری در حدود یک تا دو میلی ولت بر میکروبار می باشد. از میکروفون پیزوالکتریک تا ۸ سال پیش در ضبط صوتهای خانگی استفاده میشد. ولی هم اکنون دیگر استفاده نمی شود زیرا عرض باند آن حدود ۷ تا ۸ کیلوهرتز می باشد که پهنای باند آن کم است.

در نوع دوم میکروفون که ارتعاشات صوت توسط دیافراگم به کریستال منتقل می شود و اختلاف پتانسیل دریافتی در خروجی زیاد می شود ولی پهنای باند نوار فرکانس نسبت به حالت اول کمتر می باشد.

پهنای باند نوار پاسخ فرکانس میکروفون کریستالی بین ۲۰ تا ۱۰۰۰۰ هرتز که حدود ۵ دسی بل نسبت به حساسیت متوسط تغییرات دارد. حساسیت متوسط تغییرات دارد. حساسیت متوسط میکروفون ۵۰ دسی بل برای یک ولت در هر میکروبار است.

میکروفونهای نواری

این میکروفون از یک نوار که در داخل یک میدان مغناطیسی دائم، بطور آزاد می تواند حرکت کند تشکیل شده است. طرز کار آن مثل میکروفون الکترودینامیکی است فقط بجای سیم پیچ از یک نوار استفاده شده است. این میکروفون بعلت سبکی ممبران (دیافراگم)، باند فرکانس خوب و حساسیت زیاد دارد و در موسیقی میتوان از آن استفاده نمود ولی راندمان آن کم است.

بعلت اینکه در میکروفون های نواری فشار صوت در دو طرف ممبران با فازهای مختلف برخورد می کند بنابراین اشکالی در پهنای باند فرکانسی آن بوجود می آید. همانطور که می دانیم اختلاف فاز به ابعاد نوار و طول موج صدا بستگی دارد. بدین معنی که در طول موجهای بلند ابعاد ممبران قابل صرفنظر کردن می باشد در صورتیکه در طول موج‌های کوتاه ابعاد ممبران نسبت به طول موج قابل چشم پوشی نیم باشد. بنابراین پهنای باند فرکانس بطور یکنواخت عمل نکرده و در فرکانسهای بالا دچار افت می گردد. در این صورت ضریب الاستیسیته را کاهش می دهند و تا حدود ۱۰ کیلوهرتز پهنای باند ادامه دارد البته در فرکانسهای پایین پاسخ فرکانس حالت خطی را حفظ می‌کند.