Микрофо́н (от  — маленький,  — голос) — электроакустический прибор, преобразующий звуковые колебания в электрический сигнал.

История В телефонном аппарате Белла микрофон, как отдельный узел, отсутствовал, его функцию выполнял электромагнитный капсюль, совмещавший в себе функции микрофона и телефонного капсюля. Первым устройством, использующимся только в качестве микрофона, стал угольный микрофон Эдисона, об изобретении которого также независимо заявляли Генрих Махальский в 1878 году и Павел Голубицкий в 1883 году. Действие его основывается на изменении сопротивления между зёрнами угольного порошка при изменении давления на их совокупность.

В середине 1890-х годов швейцарец Франсуа Дюссо скомбинировал микрофон с фонографом, эта модификация, названная микрофонографом, изначально разработанная для слабослышащих, предназначалась для усиления, записи и воспроизведения звуков. В опытах были получены записи неслышимых человеком звуков насекомых, тонов сердцаМикрофонографъ Дюссо // Нива. — 1897. — № 27. — С. 647-8.Пересказано также К. К. Случевским в рассказе «Капитан Немо в России» (1898)..

Конденсаторный микрофон был изобретён инженером Bell Labs Эдуардом Венте (Edward Christopher Wente) в 1916 году. В нём звук воздействует на тонкую металлическую мембрану, изменяя расстояние между мембраной и металлическим корпусом. Тем самым образуемый мембраной и корпусом конденсатор меняет ёмкость. Если подвести к пластинам постоянное напряжение, изменение ёмкости вызовет ток через конденсатор, тем самым образуя электрический сигнал во внешней цепи.

Более массовыми стали динамические микрофоны, отличающиеся от угольных гораздо лучшей линейностью характеристик и хорошими частотными свойствами, а от конденсаторных — более приемлемыми электрическими свойствами. Первым динамическим микрофоном стал изобретённый в 1924 году немецкими учёными Эрлахом (Gerwin Erlach) и Шоттки электродинамический микрофон ленточного типа. Они расположили в магнитном поле гофрированную ленточку из очень тонкой (около 2 мкм) алюминиевой фольги. Такие микрофоны до сих пор применяются в студийной звукозаписи благодаря чрезвычайно широким частотным характеристикам, однако их чувствительность невелика, выходное сопротивление очень мало (доли ома), что значительно осложняет проектирование усилителей. Кроме того, достаточная чувствительность достижима только при значительной площади ленточки (а значит, и размерах магнита), в результате такие микрофоны имеют бо́льшие размеры и массу по сравнению со всеми остальными типами.

Пьезоэлектрический микрофон, сконструированный советскими учёными С. Н. Ржевкиным и А. И. Яковлевым в 1925 году, имеет в качестве датчика звукового давления пластинку из вещества, обладающего пьезоэлектрическими свойствами. Работа в качестве датчика давления позволила создать первые гидрофоны и записать сверхнизкочастотные звуки, характерные для морских обитателей.

В 1931 году американские инженеры Венте и Тёрэс (Albert L. Thuras) изобрели динамический микрофон с катушкой, приклеенной к тонкой мембране из полистирола или фольги. В отличие от ленточного, он имел существенно более высокое выходное сопротивление (десятки ом и сотни килоом), мог быть изготовлен в меньших размерах и является обратимым. Совершенствование характеристик именно этих микрофонов, в сочетании с совершенствованием звукоусилительной и звукозаписывающей аппаратуры, позволило развиться индустрии звукозаписи не только в студийных условиях. Создание малых по размеру (даже несмотря на массу постоянного магнита, необходимого для работы микрофона), а также чрезвычайно чувствительных и узконаправленных динамических микрофонов в заметной степени изменило представление о приватности и породило ряд изменений в законодательстве (в частности, о применении подслушивающих устройств).

Тогда же разработанные электромагнитные микрофоны, в отличие от электродинамических, имеют закреплённый на мембране постоянный магнит и неподвижную катушку. Благодаря отсутствию жёстких требований к массе катушки (характерном для динамических микрофонов) такие микрофоны делались высокоомными, а также порой имели многоотводные катушки, что делало их более универсальными. Такие микрофоны, наряду с пьезоэлектрическими, позволили создать эффективные слуховые аппараты, а также ларингофоны.

Электретный микрофон, изобретённый японским учёным Ёгути в начале 1920-х годов, по принципу действия и конструкции близок к конденсаторному, однако в качестве неподвижной обкладки конденсатора и источника постоянного напряжения выступает пластина из электрета. Долгое время такие микрофоны были относительно дороги, а их очень высокое выходное сопротивление (как и конденсаторных, единицы мегаом и выше) заставляло применять исключительно ламповые схемы. Создание полевых транзисторов привело к появлению чрезвычайно эффективных, миниатюрных и лёгких электретных микрофонов, совмещённых с собранным в том же корпусе предусилителем на полевом транзисторе.

Устройство микрофона

Принцип работы микрофона заключается в том, что давление звуковых колебаний воздуха, воды или твёрдого вещества действует на тонкую мембрану микрофона. В свою очередь, колебания мембраны возбуждают электрические колебания; в зависимости от типа микрофона для этого используются явление электромагнитной индукции, изменение ёмкости конденсаторов, пьезоэлектрический эффект или электрическое сопротивление угольного порошка.

Свойства акустико-механической системы сильно зависят от того, воздействует ли звуковое давление на одну сторону диафрагмы (микрофон давления) или на обе стороны, а во втором случае от того, симметрично ли это воздействие (микрофон градиента давления) или на одну из сторон диафрагмы действуют колебания, непосредственно возбуждающие её, а на вторую — прошедшие через какое-либо механическое или акустическое сопротивление или систему задержки времени (асимметричный микрофон градиента давления).

Большое влияние на характеристики микрофона оказывает его механоэлектрическая часть.

Классификация микрофонов

Типы микрофонов по принципу действия Динамический микрофон (электромагнитный) Катушечный микрофон Ленточный микрофон Конденсаторный микрофон Ламповый конденсаторный микрофон Угольный микрофон - ранний тип микрофона, в отличие от других типов, он не вырабатывает ЭДС, а изменяет своё сопротивление при воздействии звуковых волн на мембрану. Не требует применения усилителя, потому ранее был широко распространён, например, в телефонных аппаратах, однако качество звукового сигнала у такого микрофона низкое. Пьезомикрофон Оптоакустический микрофон (несущей является свет) Электретный микрофон - самый распространенный в современное время и наиболее дешёвый, фактически является разновидностью конденсаторного микрофона, неподвижной обкладкой которого является пластина из электрета - диэлектрика, долгое время (в течение десятилетий) сохраняющего свою поляризацию после снятия воздействия, приведшего к её возникновению. Массовое распространение, миниатюризация и удешевление полупроводниковых приборов позволяют встраивать усиливающие полевые транзисторы в сверхминиатюрный корпус микрофона, часто называемый "капсюлем". Ныне сфера применения таких микрофонов крайне широка - они являются основным видом микрофонов в проводных, DECT- и мобильных телефонах, планшетных компьютерах и смартфонах, видеокамерах, фотоаппаратах, веб-камерах, камерах видеонаблюдения, компьютерах, домофонах, радио- и видеонянях и других переговорных устройствах (например, связь "пассажир-машинист", "пациент-медработник"), умных колонках, умных телевизорах, диктофонах и т.п. Сравнительные характеристики основных типов микрофонов (устаревшие данные из «БСЭ» 1967 год): Тип микрофонаДиапазон воспринимаемых частот, ГцНеравномерность частотной характеристики, дБОсевая чувствительность на частоте 1 000 Гц, Угольный300—3400201000Электродинамический катушечного типа100—10 000 (1 класса) 30—15 000 (высшего класса)120,5 ~1,0Электродинамический ленточного типа50—10 000 (1 класса) 70—15 000 (высшего класса)101 1,5Конденсаторный30—15 00055Пьезоэлектрический100—50001550Электромагнитный300—5000205

Функциональные виды микрофонов Студийный микрофон; Сценический микрофон; Измерительный микрофон («искусственное ухо»); Микрофонный капсюль для телефонных аппаратов; Микрофон для применения в радиогарнитурах, в т. ч. USB-микрофон (со встроенной звуковой картой); Микрофон для скрытого ношения; Ларингофон; Гидрофон.

Характеристики микрофонов

Микрофоны любого типа оцениваются следующими характеристиками: чувствительность; частотная характеристика чувствительности; акустическая характеристика микрофона; характеристика направленности; уровень собственных шумов микрофона.

Чувствительность Чувствительность микрофона определяется отношением напряжения на выходе микрофона к звуковому давлению как правило, в свободном звуковом поле«Под номинальной чувствительностью подразумевается чувствительность по свободному звуковому полю, устанавливаемая техническими условиями»., то есть при отсутствии влияния отражающих поверхностей«Свободное поле: область звукового поля, в котором влияние отражающих поверхностей пренебрежимо мало».. При распространении синусоидальной звуковой волны в направлении рабочей оси микрофона это направление называется осевой чувствительностью:

(мВ/Па).

Рабочей осью микрофона является направление его преимущественного использования и обычно совпадает с осью симметрии микрофона. Если конструкция микрофона не имеет оси симметрии, то направление рабочей оси указывается в технических условиях. Чувствительность современных микрофонов составляет (динамические микрофоны) (конденсаторные микрофоны) Чем больше это значение, тем выше чувствительность микрофона.

Таким образом, микрофон с чувствительностью −75 дБ менее чувствителен, чем −54 дБ, а с обозначением 2 мВ/Па менее чувствителен, чем 20 мВ/Па. Для ориентировки : −54 дБ это то же, что и 2,0 мВ/Па. Также надо учесть, что если у микрофона меньше чувствительность, это вовсе не означает, что он хуже.

Частотная характеристика чувствительности

Частотная характеристика чувствительности (ЧХЧ) — это зависимость осевой чувствительности микрофона от частоты звуковых колебаний в свободном поле. Неравномерность ЧХЧ, как правило, измеряют в децибелах как двадцать логарифмов (по основанию 10) отношения чувствительности микрофона на определённой частоте к чувствительности на опорной частоте (в основном 1 кГц).

Акустическая характеристика Влияние звукового поля микрофона оценивается акустической характеристикой, которая определяется отношением силы, действующей на диафрагму микрофона, и звуковым давлением в свободном звуковом поле: A = F/P, а потому, что чувствительность микрофона M = U/P можно представить как U/P = U/F • F/P и выразить через А. Тогда получим: M = A • U / F. Отношение напряжения на выходе микрофона к силе, действующей на диафрагму U/F, характеризует микрофон как электромеханический преобразователь. Акустическая характеристика определяет характеристику направленности микрофона. По виду акустической характеристики, а, следовательно, и характеристики направленности, отличают три типа микрофонов как приёмников звука: приёмники давления; градиента давления; комбинированные.

Характеристика направленности +Направленность микрофонов. Представление в полярных координатахприёмники давленияНенаправленныйприёмники градиента давленияДвунаправленный«Восьмёрка»комбинированныеКардиоидаГиперкардиоида Характеристикой направленности называют зависимость чувствительности микрофона от направления падения звуковой волны по отношению к оси микрофона. Она определяется отношением чувствительности Мα при падении звуковой волны под углом α относительно акустической оси микрофона к его осевой чувствительности:

φ = Mα/M0