Mikrofoni Osnovne karakteristike 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: 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: 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 - ugao koji sa osom mikrofona zaklapa pravac dolaska zvučnih talasa, osetljivost mikrofona pod uglom , - osetljivost mikrofona u smeru ose.

Karakteristika usmerenosti

Karakteristika usmerenosti u logaritamskoj razmeri

Karakteristika usemrenosti različite frekvencije

Faktor usmerenosti 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 , 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. 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 za mikrofon sa prethodnog slajda je: 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). Prilagođenje po naponu

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.

Dennis Bohn Rane Corporation RaneNote 148 © 2001 Rane Corporation 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 electronics, it only increases the voltage across the current source. But there are exceptions, so check the manufacturer, and don’t make assumptions based on hearsay.

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 upon the nature of the noise, but agrees with Holman’s article and measured results).

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 preampli- fier 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 Wideband Noise Volts EIN 150  1.57 nV/Hz 0.22 V -130 dBu 1 k  4 nV/Hz 0.57 V -123 dBu 10 k  13 nV/Hz 1.8 V -113 dBu