میکروفون و انواع آن

میکروفون

میکروفون دستگاهی مبدل است که صدا را به سیگنال الکتریکی تبدیل میکند.میکروفون ها کاربردهای مختلفی دارند. از آنها در تلفن، سمعک، سیستم های آدرس دهی عمومی، ضبط صدا،رادیوهای دوطرفه، مگافون، پخش رادیو و تلویزیون ، تشخیص صدا و همچنین اهداف غیر آکوستیک نظیر سنسورهای فراصوت یا سنسورهای ضربه و ...  استفاده می شود.

 میکروفون ها از روشهای مختلفی برای تبدیل امواج صوتی به سیگنال الکتریکی استفاده میکنند.از رایج ترین آنها میتوان به میکروفون های داینامیک که از یک سیم پیچ معلق در یک میدان مغناطیسی استفاده میکنند؛ میکروفون کندانسور، که از یک دیافراگم مرتعش به عنوان صفحه خازن استفاده میکند و میکروفون پیزوالکتریک که از کریستال مواد پیزوالکتریک استفاده میکند، اشاره نمود. میکروفون ها معمولا قبل از ضبط یا تولید سیگنال، نیاز به اتصال به یک پری آمپلی فایر دارند.

برای سخنرانی در یک گروه بزرگ، نیاز به تقویت صدای فرد میباشد.اولین دستگاههایی که برای این منظور مورد استفاده قرار گرفتند، مگافون های آکوستیک بودند.به عنوان مثال ، از قرن پنجم پیش از میلاد در یونان، از ماسک هایی استفاده میکردند که دهانه آنها به شکل بوق بود و صدای بازیگران را به صورت آکوستیک تقویت میکرد.

عنصر مبدل میکروفون را المنت یا کپسول میگویند.صدا ، ابتدا با استفاده از دیافراگم، به حرکت مکانیکی و سپس به سیگنال الکتریکی تبدیل میشود.یک میکروفون کامل، شامل محفظه ، ابزارهایی برای رساندن سیگنال از المنت به سایر تجهیزات و  غالبا شامل یک مدار الکتریکی برای تطبیق خروجی کپسول با تجهیزات درحال استفاده است. یک میکروفون بیسیم شامل فرستنده رادیویی نیز میباشد.

میکروفون ها براساس مبدل و ویژگیهای directional شان طبقه بندی میشوند،مانند کندانسور،داینامیک و ... . گاهی اوقات ، سایر ویژگی ها نظیر اندازه دیافراگم، نوع کاربری یا جهت ورودی اصلی صدا به محور اصلی (end- or side-address) میکروفون، نیز برای توصیف میکروفون استفاده میشود.

کندانسور

میکروفون کندانسور در سال 1916 توسط E. C. Wente اختراع شد، که میکروفون خازنی یا الکترواستاتیکی نیز نامیده میشود، اما از قدیم آن را با نام کندانسور میشناختند. در اینجا ، دیافراگم به عنوان یک صفحه خازن عمل می کند و لرزش ها باعث ایجاد تغییر در فاصله بین صفحات می شوند. بسته به روش استخراج سیگنال صوتی از مبدل ، دو نوع میکروفون وجود دارد:

میکروفون های مستقیم (DC-biased microphones) و میکروفون های کندانسور رادیو فرکانسی (RF) یا فرکانس بالا (HF) .

میکروفون های مستقیم

در میکروفون های مستقیم (DC-biased microphones) صفحات دارای بار ثابت (Q) هستند. ولتاژ حفظ شده در سراسر صفحات خازنی با ارتعاشات موجود در هوا ، مطابق معادله خازن (C = Q⁄V) تغییر می کند، که Q بار coulombها ، C ظرفیت خازن و V اختلاف پتانسیل است. در صفحات خازنی موازی، ظرفیت خازنی صفحات با فاصله بین آنها نسبت معکوس دارد. 

میکروفون کندانسور RF

میکروفون های کندانسور RF، از یک ولتاژ نسبتا پایینRF که توسط یک Oscillator با نویز کم تولید شده، استفاده میکنند. قدرت سیگنال تولید شده از اسیلاتور کاملا به قدرت صدای ورودی بستگی دارد.

کندانسور الکتریت (Electret)

میکروفون الکتریت نوعی میکروفون خازنی است که توسط Gerhard Sessler و Jim West در 1962 اختراع شد.بار خارجی که در بخش میکروفون های کندانسور توضیح داده شد، در یک ماده الکتریت با یک بار دائمی جایگزین میشود. یک الکتروت ماده ای ferroelectric است که به طور دائم شارژ الکتریکی یا قطبی شده است. این نام از الکترواستاتیک (electrostatic) و آهنربا (magnet ) تشکیل شده است. درون الکتریت ، یک بار استاتیک به وسیله تراز کردن بارهای استاتیک در مواد ، به همان شکلی که آهنربا به وسیله تراز دامنه های مغناطیسی در یک قطعه آهن ساخته میشود، تعبیه شده است.

داینامیک

میکروفون داینامیک از طریق القای الکترومغناطیسی کار می کند. آنها مقاوم ، نسبتاً ارزان و در برابر رطوبت مقاوم هستند. این ویژگی ها همراه با gain بالای آنها قبل ازرسیدن به نقطه فیدبک، آنها را به یک انتخاب ایده آل برای استیج تبدیل میکند. میکروفون های داینامیک از همان قاعده بکار رفته در loudspeaker ها ، فقط در جهت معکوس استفاده میکند. یک سیم پیچ القایی متحرک کوچک ، که در میدان مغناطیسی یک آهنربای ثابت قرار دارد ، به دیافراگم وصل می شود. هنگامی که صدا از جلوی میکروفون وارد می شود ، موج صدا دیافراگم را حرکت می دهد. هنگام ارتعاش دیافراگم، سیم پیچ در میدان مغناطیسی حرکت می کند و از طریق القای الکترومغناطیسی جریان مختلفی را در سیم پیچ تولید می کند.

یک غشای داینامیک، به صورت خطی به همه فرکانس های صوتی پاسخ نمی دهد. به همین دلیل ، برخی میکروفن ها از غشاهای مختلف برای قسمت های مختلف طیف صوتی استفاده کرده و سپس سیگنال های حاصل را ترکیب می کنند.ترکیب صحیح چندین سیگنال ، کار دشواری است. طرح هایی که این کار را انجام می دهند نادر و گران هستند. از طرف دیگر، طرح هایی وجود دارد که به طور خاص ، هدف آنها ایزوله کردن بخش های طیف صوتی میباشد. در مهندسی صوت، اغلب از چندین نوع میکروفون برای دستیابی به نتیجه بهتر استفاده میشود.

Ribbon

میکروفون های ribbon از یک ribbon( نوار) فلزی نازک و معمولا موجدار که در یک میدان مغناطیسی معلق است، استفاده میکنند.این نوار به صورت الکتریکی به خروجی میکروفون متصل است  و لرزش آن در میدان مغناطیسی موجب تولید سیگنال الکتریکی میشود.میکروفون های ribbon مشابه میکروفون های فنر متحرک ، از طریق القای مغناطیسی، صدا را تولید میکنند.میکروفون های ribbon ، صدا را در یک الگوی دو جهته تشخیص میدهند، زیرا ribbon در هر دو طرف باز است.

Carbon

میکروفون carbon اولین نوع میکروفون بود. میکروفون دکمه کربن (یا گاهی اوقات فقط میکروفون دکمه ای) ، از یک کپسول یا دکمه حاوی گرانول های کربنی که بین دو صفحه فلزی فشرده شده است ، استفاده می کند.مانند میکروفون های Berliner یا Edison. یک ولتاژ در صفحات فلزی اعمال می شود و باعث می شود جریان کوچکی از کربن عبور کند. یکی از صفحات ، دیافراگم ، به تبعیت از امواج صوتی ارتعاش می کند و فشار متفاوتی به کربن وارد می کند.این فشار متغیر، موجب تغییر شکل گرانول ها شده و باعث میشود سطح تماس بین هر جفت از گرانول های مجاور، تغییر کنند و این موجب تغییر مقاومت الکتریکی جرم گرانول ها میشود.تغییر مقاومت باعث تغیر جریان کنونی میکروفون شده و سیگنال الکتریکی تولید میکند.میکروفون های کربن قبلا در تلفن ها بکار میرفتند، صدای بی کیفیت و دامنه پاسخ فرکانسی بسیار محدودی دارند اما دستگاههای بسیار قدرتمندی هستند.میکروفون boudet که از توپ های کربنی نسبتا بزرگی استفاده میکرد، شبیه به میکروفن های دکمه کربن گرانول بود.

Piezoelectric

میکروفون کریستال یا پیزو از پدیده پیزوالکتریسیته ( توانایی برخی مواد برای تولید ولتاژ در هنگام فشار) برای تبدیل ارتعاشات به سیگنال الکتریکی استفاده میکند. تطابق میکروفون های کریستالی با تجهیزات ترانزیستوری اولیه دشوار بود و به سرعت جای خود را به میکروفون های داینامیک و سپس دستگاههای کندانسور الکتریت دادند. امپدانس بالای میکروفون های کریستالی ، آنها را مستعددریافت نویز، چه از طریق خود میکروفون و چه از طریق کابل اتصال، میکند.

فیبر نوری

یک میکروفون فیبر نوری با تغییر شدت نور، امواج آکوستیک را به سیگنال های الکتریکی تبدیل میکند.در حین کار ، نور از یک منبع لیزر از طریق یک فیبر نوری برای روشنایی سطح یک دیافراگم منعکس کننده حرکت می کند. ارتعاشات صدا از دیافراگم، شدت نور منعکس کننده دیافراگم را در جهت خاصی تعدیل می کند. سپس نور تعدیل شده از یک فیبر نوری دوم به یک تشخیص دهنده منتقل می شود ،که نور معتدل شده را به صوت آنالوگ یا دیجیتال برای انتقال یا ضبط تبدیل می کند.میکروفون های فیبر نوری دارای داینامیک بالا و محدوده فرکانسی مشابه بهترین میکروفون های معمولی با کیفیت میباشد.

لیزر

میکروفون های لیزری اغلب در فیلم ها به عنوان ابزار جاسوسی دیده میشوند،زیرا آنها میتوانند صداهای دور از تجهیزات میکروفون را دریافت کنند. برای مثال با آنها میتوان صدای صحبت کردن افرادی در خانه آن سوی خیابان را شنید.ارتعاشات این سطح، زاویه پرتو منعکس شده را تغییر داده و حرکت نقطه لیزر از پرتوی برگشتی شناسایی شده و به یک سیگنال صوتی تبدیل می شود.در موارد گرانتر و مستحکم تر، نور برگشتی جدا شده و  با تغییر مسیر نوری که از پرتور بازتاب شده ، حرکت سطح را تشخیص میدهد.

Liquid

میکروفون های اولیه صدای قابل فهمی را تولید نمیکردند، تا اینکه الکساندر گراهام بل با ساخت میکروفون هایی با مقاومت متغیر ، موجب پیشرفت های شگرفی در تولید میکروفون ها گردید.فرستنده های Liquid بل، شامل یک Cup (فنجان) فلزی پر از آب همراه با مقدار کمی اسید سولفوریک  بودند.یک موج صوتی باعث حرکت دیافراگم شده و یک سوزن ( عقربه) را وادار به حرکت به سمت بالا و پایین درون آب مینمود.مقاومت الکتریکی بین سیم و فنجان نسبت معکوس با اندازه هلال آب در اطراف سوزن داشت. تغییرات و پیشرفت های جزئی دیگری توسط Majoranna, Chambers, Vanni, Sykes و Elisha Gray در میکروفون های Liquid اعمال شد. این میکروفون ها برای کاربردهای تجاری عملی نبودند. اولین مکالمه تلفنی معروف بین بل و واتسون با استفاده از میکروفون Liquid صورت گرفت.

MEMS

میکروفون های mems یا MicroElectrical-Mechanical System که به آنها میکروفون های چیپ یا سیلیکون نیز میگویند. یک دیافراگم حساس به فشار مستقیما درون یک wafer سیلیکون محصور شده هستند که معمولا با پری آمپلی فایر یکپارچه همراه شده اند.بیشتر میکروفون های MEMS نوع دیگری از میکروفون کندانسور می باشند.میکروفون های MEMS دیجیتالی دارای یک مدار مبدل آنالوگ به دیجیتال هستند و به راحتی با تولیدات دیجیتالی مدرن ادغام میشوند.

Microphone

A microphone, colloquially named mic or mike (/maɪk/),[1] is a device – a transducer – that converts sound into an electrical signal. Microphones are used in many applications such as telephones, hearing aids, public address systems for concert halls and public events, motion picture production, live and recorded audio engineering, sound recording, two-way radios, megaphones, radio and television broadcasting, and in computers for recording voice, speech recognition, VoIP, and for non-acoustic purposes such as ultrasonic sensors or knock sensors.

Several types of microphone are in use, which employ different methods to convert the air pressure variations of a sound wave to an electrical signal. The most common are the dynamic microphone, which uses a coil of wire suspended in a magnetic field; the condenser microphone, which uses the vibrating diaphragm as a capacitor plate; and the piezoelectric microphone, which uses a crystal of piezoelectric material. Microphones typically need to be connected to a preamplifier before the signal can be recorded or reproduced.

Condenser

The condenser microphone, invented at Western Electric in 1916 by E. C. Wente,[19] is also called a capacitor microphone or electrostatic microphone—capacitors were historically called condensers. Here, the diaphragm acts as one plate of a capacitor, and the vibrations produce changes in the distance between the plates. There are two types, depending on the method of extracting the audio signal from the transducer: DC-biased microphones, and radio frequency (RF) or high frequency (HF) condenser microphones. With a DC-biased microphone, the plates are biased with a fixed charge (Q). The voltage maintained across the capacitor plates changes with the vibrations in the air, according to the capacitance equation (C = ​Q⁄V), where Q = charge in coulombs, C = capacitance in farads and V = potential difference in volts. The capacitance of the plates is inversely proportional to the distance between them for a parallel-plate capacitor. The assembly of fixed and movable plates is called an "element" or "capsule".

RF condenser microphones use a comparatively low RF voltage, generated by a low-noise oscillator. The signal from the oscillator may either be amplitude modulated by the capacitance changes produced by the sound waves moving the capsule diaphragm, or the capsule may be part of a resonant circuit that modulates the frequency of the oscillator signal. Demodulation yields a low-noise audio frequency signal with a very low source impedance. The absence of a high bias voltage permits the use of a diaphragm with looser tension, which may be used to achieve wider frequency response due to higher compliance. The RF biasing process results in a lower electrical impedance capsule, a useful by-product of which is that RF condenser microphones can be operated in damp weather conditions that could create problems in DC-biased microphones with contaminated insulating surfaces. The Sennheiser "MKH" series of microphones use the RF biasing technique. A covert, remotely energised application of the same physical principle was devised by Soviet Russian inventor Léon Theremin and used to bug the US Ambassador's Residence in Moscow between 1945 and 1952.

Dynamic

The dynamic microphone (also known as the moving-coil microphone) works via electromagnetic induction. They are robust, relatively inexpensive and resistant to moisture. This, coupled with their potentially high gain before feedback, makes them ideal for on-stage use.Dynamic microphones use the same dynamic principle as in a loudspeaker, only reversed. A small movable induction coil, positioned in the magnetic field of a permanent magnet, is attached to the diaphragm. When sound enters through the windscreen of the microphone, the sound wave moves the diaphragm. When the diaphragm vibrates, the coil moves in the magnetic field, producing a varying current in the coil through electromagnetic induction. A single dynamic membrane does not respond linearly to all audio frequencies. For this reason, some microphones utilize multiple membranes for the different parts of the audio spectrum and then combine the resulting signals. Combining the multiple signals correctly is difficult; designs that do this are rare and tend to be expensive. On the other hand, there are several designs that are more specifically aimed towards isolated parts of the audio spectrum. The AKG D112, for example, is designed for bass response rather than treble.[24] In audio engineering several kinds of microphones are often used at the same time to get the best results.

Ribbon

Ribbon microphones use a thin, usually corrugated metal ribbon suspended in a magnetic field. The ribbon is electrically connected to the microphone's output, and its vibration within the magnetic field generates the electrical signal. Ribbon microphones are similar to moving coil microphones in the sense that both produce sound by means of magnetic induction. Basic ribbon microphones detect sound in a bi-directional (also called figure-eight, as in the diagram below) pattern because the ribbon is open on both sides. Also, because the ribbon has much less mass it responds to the air velocity rather than the sound pressure. Though the symmetrical front and rear pickup can be a nuisance in normal stereo recording, the high side rejection can be used to advantage by positioning a ribbon microphone horizontally, for example above cymbals, so that the rear lobe picks up sound only from the cymbals. Crossed figure 8, or Blumlein pair, stereo recording is gaining in popularity, and the figure-eight response of a ribbon microphone is ideal for that application.

Carbon

The carbon microphone was the earliest type of microphone. The carbon button microphone (or sometimes just a button microphone), uses a capsule or button containing carbon granules pressed between two metal plates like the Berliner and Edison microphones. A voltage is applied across the metal plates, causing a small current to flow through the carbon. One of the plates, the diaphragm, vibrates in sympathy with incident sound waves, applying a varying pressure to the carbon. The changing pressure deforms the granules, causing the contact area between each pair of adjacent granules to change, and this causes the electrical resistance of the mass of granules to change. The changes in resistance cause a corresponding change in the current flowing through the microphone, producing the electrical signal. Carbon microphones were once commonly used in telephones; they have extremely low-quality sound reproduction and a very limited frequency response range, but are very robust devices. The Boudet microphone, which used relatively large carbon balls, was similar to the granule carbon button microphones.[26]

Piezoelectric

A crystal microphone or piezo microphone[27] uses the phenomenon of piezoelectricity—the ability of some materials to produce a voltage when subjected to pressure—to convert vibrations into an electrical signal. An example of this is potassium sodium tartrate, which is a piezoelectric crystal that works as a transducer, both as a microphone and as a slimline loudspeaker component. Crystal microphones were once commonly supplied with vacuum tube (valve) equipment, such as domestic tape recorders. Their high output impedance matched the high input impedance (typically about 10 megohms) of the vacuum tube input stage well. They were difficult to match to early transistor equipment and were quickly supplanted by dynamic microphones for a time, and later small electret condenser devices. The high impedance of the crystal microphone made it very susceptible to handling noise, both from the microphone itself and from the connecting cable.

Fiber-optic

A fiber-optic microphone converts acoustic waves into electrical signals by sensing changes in light intensity, instead of sensing changes in capacitance or magnetic fields as with conventional microphones.[28][29]During operation, light from a laser source travels through an optical fiber to illuminate the surface of a reflective diaphragm. Sound vibrations of the diaphragm modulate the intensity of light reflecting off the diaphragm in a specific direction. The modulated light is then transmitted over a second optical fiber to a photo detector, which transforms the intensity-modulated light into analog or digital audio for transmission or recording. Fiber-optic microphones possess high dynamic and frequency range, similar to the best high fidelity conventional microphones.

Laser

Laser microphones are often portrayed in movies as spy gadgets, because they can be used to pick up sound at a distance from the microphone equipment. A laser beam is aimed at the surface of a window or other plane surface that is affected by sound. The vibrations of this surface change the angle at which the beam is reflected, and the motion of the laser spot from the returning beam is detected and converted to an audio signal.

Liquid

Early microphones did not produce intelligible speech, until Alexander Graham Bell made improvements including a variable-resistance microphone/transmitter. Bell's liquid transmitter consisted of a metal cup filled with water with a small amount of sulfuric acid added. A sound wave caused the diaphragm to move, forcing a needle to move up and down in the water. The electrical resistance between the wire and the cup was then inversely proportional to the size of the water meniscus around the submerged needle. Elisha Gray filed a caveat for a version using a brass rod instead of the needle.[when?] Other minor variations and improvements were made to the liquid microphone by Majoranna, Chambers, Vanni, Sykes, and Elisha Gray, and one version was patented by Reginald Fessenden in 1903. These were the first working microphones, but they were not practical for commercial application. The famous first phone conversation between Bell and Watson took place using a liquid microphone.

MEMS

The MEMS (MicroElectrical-Mechanical System) microphone is also called a microphone chip or silicon microphone. A pressure-sensitive diaphragm is etched directly into a silicon wafer by MEMS processing techniques, and is usually accompanied with integrated preamplifier. Most MEMS microphones are variants of the condenser microphone design. Digital MEMS microphones have built in analog-to-digital converter (ADC) circuits on the same CMOS chip making the chip a digital microphone and so more readily integrated with modern digital products. Major manufacturers producing MEMS silicon microphones are Wolfson Microelectronics (WM7xxx) now Cirrus Logic,[32] InvenSense (product line sold by Analog Devices [33]), Akustica (AKU200x), Infineon (SMM310 product), Knowles Electronics, Memstech (MSMx), NXP Semiconductors (division bought by Knowles [34]), Sonion MEMS, Vesper, AAC Acoustic Technologies,[35] and Omron.[36]