1. Mikrofoni Osnovne karakteristike 1
Elektroakustika
Mikrofoni
Osnovne karakteristike 1

2. 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.

3. 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.

4. Mikrofoni
Savremeni mikrofoni su usavršeni do te mere da imaju vernost reprodukcije koja se može meriti sa originalom.

5. 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
g. pojavljuje se elektret mikrofon

6. 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.

7. 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.

8. Mikrofoni – tehnička specifikacija

9. Mikrofoni – osnovne karakteristike
Osetljivost mikrofona
Frekvencijska karakteristika
Karakteristika usmerenosti
Faktor uemerenosti
Dinamički opseg mikrofona
Odnos signal - šum
Impedansa mikrofona
Stepen iskorišćenja
Izobličenja

10. 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.

11. Osetljivost mikrofona: Indeks pretvaranja mikrofona:
Napon na otvorenim krajevima referentnog mikrofona je 1 V a zvučni pritisak 94 dB (1 Pa).

12. 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) ) dB =( ) 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)

13. 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.

14. Frekvencijska karakteristika
Frekvencijska karaktersitika mikrofona predstavlja promenu osetljivosti, izraženu u dB, u funkciji frekvencije, i daje se u obliku dijagrama,

15. Frekvencijska karakteristika - primeri

16. 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.

17. Karakteristika usmerenosti
- ugao koji sa osom mikrofona zaklapa pravac dolaska zvučnih talasa,
osetljivost mikrofona pod uglom ,
- osetljivost mikrofona u smeru ose.

18. Karakteristika usmerenosti

19. Karakteristika usmerenosti u logaritamskoj razmeri

20. Karakteristika usemrenosti različite frekvencije

21. 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).

22. 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.

23. Dinamički opseg mikrofona
Dinamički opseg mikrofona predstavlja razliku između nivoa najjačeg i najslabijeg zvuka koji mikrofon može preneti, uz određeni definisani iznos izobličenja.

24. 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.

25. 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 = 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).

26. 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 – = -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 = log log 200 = -133 dB
E TN = 0,223 V.

27. 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.

28. 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.

29. 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”.

30. 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

31. 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

32. 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%.

33. 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.

34. 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

35. 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 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.

36. 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).

37. 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.

41. Noise Voltage Useful Values
Spot Noise  1 Hz BW & room temp (24°C)
(as found on data sheets; 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