Mikrofon kierunkowy

Elektronika domowa i zabawki
10/99
£owcy dŸwiêków czyli
mikrofon kierunkowy
Ten intryguj¹cy tytu³ zachêca do przeczytania ciekawego artyku³u
poœwiêconego mikrofonom. Prosty mikrofon kosztuje parê z³otych,
a mo¿e pos³u¿yæ do zbudowania niezmiernie ciekawego urz¹dzenia
przeznaczonego do ³owienia odleg³ych i cichych dŸwiêków np.
œpiewu ptaków, lub odg³osów wydawanych przez zwierzêta. Urz¹dzenie to mo¿na te¿ wykorzystaæ do pos³uchania i sprawdzenia
pracy serca. Jeszcze innym zastosowaniem bêdzie diagnostyka silnika samochodowego. Przy pomocy mikrofonu mo¿na pos³uchaæ,
co w silniku s³ychaæ, które elementy pracuj¹ prawid³owo, a które
zgrzytaj¹ lub wydaj¹ inne nienormalne dŸwiêki. Urz¹dzenie, czyli
wzmacniacz s³uchawkowy z uk³adem filtrów jest bardzo prosty,
a zabawy i radoœci z nim zwi¹zanych naprawdê du¿o.
Co nieco o mikrofonach
Mikrofon jest urz¹dzeniem przetwarzaj¹cym przebieg czasowy ciœnienia akustycznego na przebieg napiêcia, odbierany z jego zacisków. Zatem jest on przetwornikiem wielkoœci nieelektrycznej na
elektryczn¹. Mikrofonom stawia siê szereg wymagañ:
– minimalne zniekszta³cenia, kszta³t napiêcia wyjœciowego powinien w mo¿liwie najwierniejszy sposób odpowiadaæ
Metalizacja
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
–
–
–
–
kszta³towi ciœnienia akustycznego (fali
akustycznej);
pasmo czêstotliwoœci przetwarzanych
przez mikrofon powinno obejmowaæ ca³y zakres akustyczny (20 Hz÷20 kHz);
charakterystyka czêstotliwoœciowa mikrofonu powinna byæ maksymalnie
p³aska w u¿ytecznym paœmie;
ró¿nice w charakterystykach kierunkowoœci dla wszystkich czêstotliwoœci u¿ytecznego pasma powinny byæ jak najmniejsze;
poziom napiêcia wyjœciowego z mikrofonu powinien byæ mo¿liwie du¿y, aby
Mikrofon
pojemnoœciowy
elektretowy
+1,5÷10V
»2÷10k
T1
R1
»1GW
R2
»W
WY m.cz.
»10Hz÷10kHz
»100mV
Folia
spolaryzowana
(elektret)
Rys. 1 Budowa mikrofonu pojemnoœciowego (elektretowego)
7
uzyskaæ odpowiedni stosunek sygna³u
do szumu w dalszej obróbce sygna³u;
– mikrofon powinien byæ odporny na zewnêtrzne pola zak³ócaj¹ce.
Mo¿na spotkaæ kilka rodzajów mikrofonów (o ró¿nej budowie i zasadzie dzia³ania), lepiej lub gorzej spe³niaj¹cych powy¿sze wymagania:
– wêglowe (stykowe);
– piezoelektryczne (krystaliczne);
– pojemnoœciowe;
– elektromagnetyczne
(magnetyczne
o kotwicy swobodnej);
– dynamiczne (magnetyczne o ruchomej
cewce).
Mo¿na jeszcze dalej rozszerzaæ klasyfikacjê mikrofonów, lecz nie jest to celem niniejszego artyku³u.
Mikrofony wêglowe dziœ praktycznie
nie s¹ stosowane. Mo¿na je spotkaæ we
wk³adkach mikrofonowych starych aparatów telefonicznych. Tak¿e mikrofony piezoelektryczne praktycznie wypad³y z obiegu. Najwiêksz¹ popularnoœci¹, ze wzglêdu
na bardzo dobre parametry, ciesz¹ siê mikrofony pojemnoœciowe i dynamiczne.
Wiêcej uwagi poœwiêcimy teraz mikrofonom pojemnoœciowym, które produkowane s¹ z przeznaczeniem do zastosowañ profesjonalnych jak i w wersjach
bardzo tanich do zastosowañ powszechnych. Zyska³y one du¿¹ popularnoœæ dziêki bardzo szerokiemu pasmu przenoszenia, doskona³ej równomiernoœci charakterystyki i ma³ym zniekszta³ceniom nieliniowym. Pocz¹tkowo du¿ym utrudnieniem
ograniczaj¹cym stosowanie tych mikrofonów by³a koniecznoœæ stosowania dodatkowego zasilania napiêciem sta³ym i stosowanie wzmacniacza bezpoœrednio przy
mikrofonie.
Mikrofon pojemnoœciowy (rys. 1)
sk³ada siê z membrany (elastycznej folii
plastikowej lub metalowej), której jedna
strona jest metalizowana i nieruchomego
pierœcienia do którego membrana jest
przymocowana, stanowi¹cego równoczeœnie drug¹ elektrodê. Taka konstrukcja
tworzy kondensator. Pod wp³ywem ciœnienia akustycznego dzia³aj¹cego na membranê zmienia siê jej odleg³oœæ od nieruchomego pierœcienia. Poci¹ga to za sob¹
zmianê pojemnoœci kondensatora. Kondensator ten jest spolaryzowany napiêciem sta³ym o doœæ du¿ej wartoœci ok.
100 V. Na wskutek zmian pojemnoœci kondensatora, przy sta³ym ³adunku elektrycznym, na zaciskach mikrofonu pojawia siê
napiêcie zmienne proporcjonalne do wy-
8
£owcy dŸwiêków czyli mikrofon kierunkowy
Mikrofon
jednokierunkowy
10/99
membrany. Fale wpadaj¹ce z kierunku osi
rury nie podlegaj¹ t³umieniu. Natomiast
fale wpadaj¹ce z boków rury, na skutek
ró¿nic fazowych wynikaj¹cych z ró¿nej
d³ugoœci drogi ulegaj¹ wyt³umieniu. Wa¿nym jest aby rura nie wykazywa³a rezonansu w³asnego w zakresie odbieranego
pasma czêstotliwoœci. Silna charakterystyka kierunkowa takiego mikrofonu powoduje, ¿e dŸwiêk przez niego odbierany
brzmi g³ucho, gdy¿ brak jest w nim tonów wysokich, które s¹ bardziej kierunkowe i wymagaj¹ dok³adnego „wycelowania” rury na Ÿród³o dŸwiêku.
W warunkach domowych mo¿na
wykonaæ uproszczon¹ wersjê mikrofonu
kierunkowego i jest to nadzwyczaj proste. Wystarczy wzi¹æ kartkê papieru formatu A4 i zwin¹æ j¹ ciasno w rulon, tak
aby otrzymaæ papierow¹ rurkê o d³ugoœci
d³u¿szego boku papieru. Wewnêtrzna
œrednica rurki powinna byæ taka, aby
mo¿na w niej umieœciæ „na wcisk” mikrofon elektretowy.
Koniec rurki gdzie umieszczony jest
mikrofon powinno siê pokryæ materia³em
t³umi¹cym dŸwiêki. Mo¿e to byæ pasek
miêkkiej g¹bki owiniêtej na rurce, lub kawa³ek wykonanej z pianki izolacji do miedzianych rur wodoci¹gowych. Zadaniem
tej „izolacji akustycznej” jest t³umienie
dŸwiêków wytwarzanych przez rêkê trzymaj¹c¹ mikrofon. Mikrofon pod³¹cza siê
Rura
kierunkowa
Membrana
Rys. 2 Budowa mikrofonu kierunkowego interferencyjnego
chylenia membrany. Du¿a wartoœæ napiêcia polaryzuj¹cego kondensator podyktowana jest koniecznoœci¹ uzyskania odpowiedniej czu³oœci. Impedancja wyjœciowa
takiego mikrofonu jest bardzo du¿a rzêdu
dziesi¹tek megaomów. Wymaga on zatem
zastosowania wzmacniacza umieszczonego bezpoœrednio w obudowie.
Koniecznoœæ polaryzowania kondensatora w mikrofonie pojemnoœciowym
uda³o siê wyeliminowaæ przez zastosowanie membrany wykonanej z trwale spolaryzowanej elektrycznie folii poliestrowej
zwanej elektretem. Jednak¿e wzmacniacz
przymikrofonowy pozosta³. Jest on z regu³y zbudowany na tranzystorze polowym
(w tañszych wersjach), który zapewnia odpowiednio du¿¹ impedancjê wejœciow¹
przy stosunkowo ma³ych szumach (rys. 1).
Popularne mikrofony elektretowe kosztuj¹ ok. 2÷5 z³. Wymagaj¹ napiêcia zasilaj¹cego wzmacniacz rzê+9V
+
du 1÷10 V. Do zasilania
C15
mikrofonu i równocze–
47mF
BAT
snego odbierania sygna6F22
³u akustycznego wystarcz¹ dwa przewody
M1
(przewód ekranowany).
Obudowa, zawieraj¹ca
mikrofon i wzmacniacz
ma œrednicê oko³o
4÷8 mm, przy wysokoœci 4÷10 mm. S¹ to zatem urz¹dzenia naprawdê miniaturowe.
Jeszcze jedn¹ cech¹
charakteryzuj¹c¹ mikrofony jest ich charakterystyka kierunkowa,
czyli zmiana czu³oœci
mikrofonu w funkcji k¹ta padania fali akustycznej. Kszta³t charakterystyki mikrofonu zale¿y od jego budowy
mechanicznej. W pewnym zakresie mo¿na jednak tak¹ charakterystykê korygowaæ. Jak powiedziano na wstêpie nasz
uk³ad ma s³u¿yæ miêdzy innymi do prowadzenia pods³uchu. Zatem od mikrofonu wymaga siê charakterystyki silnie kierunkowej. Dziêki temu odbiera on dŸwiêki dobiegaj¹ce z jednego kierunku, silnie
t³umi¹c wszystkie sygna³y „zak³ócaj¹ce”
które nie le¿¹ na osi mikrofonu.
Fabryczne mikrofony kierunkowe
wykonuje siê jako mikrofony interferencyjne (rys. 2). W takim mikrofonie fala
dŸwiêkowa przed dotarciem do membrany przechodzi przez rurê kierunkow¹,
która mo¿e mieæ d³ugoœæ nawet do 1 m.
Wzd³u¿ rury znajduj¹ siê otwory z odpowiednio dobranymi filtrami akustycznymi. Rura zbiera fale dŸwiêkowe wpadaj¹ce przez otwory i doprowadza je do
C16
47n
R2
10k
C1
10mF
R19
10k
3
R1
10k
M
C2
R3
100k
330n
2
1
US2-A
+9V
8
US1-A
C9
7
4
C4
R4
1k
C11 R10
1k
8
R5
1k
100mF
T2
BC557B
R8
10k
LM358
C3
22mF
C10
10mF
4
5
6
T1
BC547B
LM358
R9
330p
51k
100p
P1
47k-B
C13
4,7n
C14
R17
6,8k
R6
68k
C6 R7 C7
2,2n 33k 1n
C5
4,7n
C8
510p
R14
3,9k
R18
6,8k
R15
3,9k
C12
10n
US1-B
1
R11 22k
5
6
US2-B
W£1-B
2kHz 0 4kHz
R16
3,9k
3
2
P2
47k-A
W£1-A
4,7n
R12 22k
R13 22k
Rys. 3 Schemat ideowy wzmacniacza do mikrofonu
7
S£UCHAWKI
16÷33W
10/99
teraz do opisanego poni¿ej wzmacniacza
i uk³ad pods³uchiwania jest ju¿ gotowy.
Mo¿na przyst¹piæ do zabawy.
Na zakoñczenie tego byæ mo¿e przyd³ugiego wstêpu wypada jeszcze wspomnieæ o bardzo specyficznych mikrofonach kierunkowych charakteryzuj¹cych
siê du¿¹ czu³oœci¹, przy bardzo dobrej
kierunkowoœci. S¹ to mikrofony stosowane przez tzw. „³owców dŸwiêków”. Ca³a
maszyneria sk³ada siê ze zwyk³ego mikrofonu o doœæ wyraŸnej kierunkowoœci i parabolicznego zwierciad³a akustycznego
o œrednicy rzêdu 1÷1,5 m, bardzo zbli¿onego podobnego do klasycznej anteny
satelitarnej (nie myliæ z anten¹ offsetow¹,
która jest tak¿e paraboliczna, ale nieco
„kopniêta” w bok). Mikrofon umieszczony jest w ognisku zwierciad³a sk¹d odbiera dŸwiêki zebrane z du¿ej powierzchni
i skupione w ognisku. Tego typu zestaw
umo¿liwia „³apanie” dŸwiêków nawet
z odleg³oœci kilkudziesiêciu metrów (bli¿ej
stu ni¿ dziesiêciu). Zapaleñcom proponuje wypróbowanie tego typu uk³adu przy
wykorzystaniu starej anteny satelitarnej.
£owcy dŸwiêków czyli mikrofon kierunkowy
Ciekawe co z tego wyniknie, mo¿e jakiœ
nowy James Bond.
Opis uk³adu
Mikrofon pojemnoœciowy (elektretowy) M1 zasilany jest przez rezystor R19,
który stanowi równoczeœnie jego obci¹¿enie. Sygna³ akustyczny przez kondensator C2 doprowadzany jest do wstêpnego wzmacniacza nieodwracaj¹cego
US1A o regulowanym wzmocnieniu. Regulacjê wzmocnienia w przedziale od
2 V/V do 48 V/V zapewnia potencjometr
P1. Kondensator C4 ogranicza pasmo
przepustowe od góry. Czêstotliwoœæ ograniczania jest zmienna i zale¿y od wzmocnienia. Im wiêksze wzmocnienie tym
ograniczenie nastêpuje przy ni¿szych czêstotliwoœciach. Dziêki temu przy wiêkszym wzmocnieniu wystêpuje wiêksze
t³umienie szumów wzmacniacza mikrofonowego i wzmacniacza US1A.
Za wzmacniaczem wstêpnym umieszczone s¹ dwa filtry, których charakterystyki czêstotliwoœciowe przedstawiono na
a)
[dB]
8,0
0,0
–8,0
–16,0
–24,0
–32,0
10Hz
100Hz
1kHz
10kHz
100kHz
b)
[dB]
16,0
12.0
8,0
4,0
0,0
–4,0
10Hz
100Hz
1kHz
10kHz
100kHz
Rys. 4 Charakterystyki filtrów: a) dolnoprzepustowych 2 kHz i 4 kHz, b) prezencyjnego 5 kHz
9
rysunku 4. Pierwszy z nich jest aktywnym
filtrem dolnoprzepustowym drugiego
rzêdu US1B. Filtr ten posiada mo¿liwoœæ
wybierania czêstotliwoœci granicznej przy
pomocy prze³¹cznika W£1. Do wyboru s¹
trzy rodzaje charakterystyk: p³aska (bez
ograniczania pasma), dolnoprzepustowa
2 kHz i 4 kHz. O czêstotliwoœci granicznej
decyduj¹ pojemnoœci kondensatorów C5,
C7 i C6, C8. Wzmocnienie filtru w paœmie
przepustowym i przy p³askiej charakterystyce jest jednostkowe.
Drugi z filtrów jest regulowanym filtrem prezencyjnym US2B. Czêstotliwoœæ
œrodkowa filtru wynosi 5 kHz i znajduje
siê w pobli¿u najwy¿szej czu³oœci ucha.
Zadaniem tego filtru jest zwiêkszenie wyrazistoœci mowy podczas pods³uchiwania
rozmów przez wyeliminowanie tonów
wysokich i niskich. Podobne filtry stosowane s¹ w telefonii. Wielkoœæ „podbicia”
czêstotliwoœci prezencyjnych jest regulowana potencjometrem P2 w zakresie od
0 do 16 dB.
Filtr zrealizowano w oparciu o mostek
podwójne T (TT) umieszczony w ga³êzi
ujemnego sprzê¿enia zwrotnego. W jego
sk³ad wchodz¹ elementy R15, R17, R18,
C12, C13, C14. Druga ga³¹Ÿ sprzê¿enia
zwrotnego jest liniowa (R13). Potencjometr P2 pozwala na p³ynne zmienianie
wielkoœci sprzê¿enia pochodz¹cego z obu
ga³êzi. Wzmocnienie filtru poza pasmem
prezencyjnym jest jednostkowe.
Dzia³anie filtru prezencyjnego jest
skuteczne tylko w przypadku ustawienia
charakterystyki p³askiej w filtrze dolnoprzepustowym US1B. Po w³¹czeniu jednego z filtrów dolnoprzepustowych filtr
prezencyjny wywiera znacznie mniejszy wp³yw na wypadkow¹ charakterystykê przenoszenia, choæ jest on jeszcze
zauwa¿alny.
Ostatnim stopniem uk³adu jest
wzmacniacz s³uchawkowy US2A. Tranzystory T1 i T2 spe³niaj¹ funkcjê przeciwsobnego wzmacniacza pr¹dowego pracuj¹cego bez pr¹du spoczynkowego. Zniekszta³cenia wynikaj¹ce z prze³¹czania
tranzystorów s¹ w olbrzymiej wiêkszoœci
eliminowane przez g³êbokie sprzê¿enie
zwrotne obejmuj¹ce ca³y wzmacniacz.
Wzmocnienie tego stopnia wynosi 6 V/V.
Do wyjœcia wzmacniacza mo¿na pod³¹czyæ s³uchawki o impedancji 16÷33 W.
Ca³y uk³ad wzmacniacza zasilany jest
z baterii 9 V typu 6F22. Dzielnik rezystancyjny R1, R2 dostarcza po³owê napiêcia
zasilania do polaryzacji wejϾ wzmacnia-
10
£owcy dŸwiêków czyli mikrofon kierunkowy
Mikrofon ³¹czy siê z p³ytk¹ przy pomocy przewodu ekranowanego. Nale¿y
zwróciæ uwagê na biegunowoœæ pod³¹czenia mikrofonu. Masa (ekran) przewodu
musi byæ po³¹czona z mas¹ mikrofonu,
Monta¿ i uruchomienie
która jest zwarta z jedn¹ z nó¿ek (widaæ
to wyraŸnie patrz¹c na mikrofon od
Monta¿ uk³adu nie wymaga komenspodu).
tarza. Jedyna uwaga dotyczy potencjoOpis wykonania rurki do mikrofonu
metrów P1 i P2, które s¹ montowane na
kierunkowego podano powy¿ej. Je¿eli
p³ytce drukowanej po stronie œcie¿ek,
wzmacniacz bêdzie wykorzystywany do
tak by oœki znalaz³y siê po stronie eleods³uchiwania pracy serca lub pracy silnimentów (patrz fotografia). Koñcówki
ka na mikrofon nie zak³ada siê rurki.
potencjometrów ³¹czy siê drucikami (obWskazane jest natomiast owiniêcie g¹bk¹
ciêtymi nó¿kami elementów) z polami
lub piank¹ izolacyjn¹, zostawiaj¹c wolny
na p³ytce. Jako W£1 zastosowano miniakoniec na którym jest „wejœcie” czyli
turowy dwusekcyjny prze³¹cznik suwamembrana. Tak przygotowany mikrofon
kowy, który mo¿na ustawiaæ w trzech
przyk³ada siê do klatki piersiowej i mo¿na
pozycjach.
ju¿ ws³uchiwaæ siê w pracê
serca. Podobnie przy silniku, mikrofon przyk³ada siê
M
w ró¿ne miejsca pracuj¹ceP1
go silnika i nads³uchuje odg³osów jakie wydaj¹ poszczególne mechanizmy, co
C3
bardzo u³atwia wychwycenie wszelkich nieprawid³oC2
woœci. Przy prowadzeniu
R5
ods³uchu silnika nale¿y
bardzo uwa¿aæ, aby nie
C4
dotkn¹æ paska klinowego
US1
LM
lub innych obracaj¹cych
358
siê elementów, gdy¿ grozi
C6
C8
to wci¹gniêciem i zmia¿d¿eniem rêki, lub palców.
Trzeba te¿ zwracaæ uwagê
C5
C7
2kHz 0 4kHz
na przewody s³uchawkowe, mikrofonu i zasilaj¹ce
R11
C1
które mog¹ siê gdzieœ
wpl¹taæ.
P2
Prowadz¹c
nas³uch
wykorzystuje siê oba filtry
i potencjometr wzmocnienia. Przy wyborze filtrów
i wielkoœci wzmocnienia
R14
nale¿y siê kierowaæ jak najC14
R15
lepsz¹ s³yszalnoœci¹ w s³uC13
chawkach. Nie ma tu uniwersalnej regu³y, która
C12
LM
US2
mówi jak postêpowaæ w ta358
C10
C9
kich przypadkach. UstaT1
wienia nale¿y dobieraæ
R9
eksperymentalnie do waT2 C11
C15
runków. Przy zbyt du¿ym
wzmocnieniu mo¿e wyst¹piæ zjawisko sprzê¿enia
+
S
akustycznego objawiaj¹ce
siê g³oœnym piskiem dobiegaj¹cym ze s³uchawek, jest
Rys. 5 P³ytka drukowana i rozmieszczenie elementów
czy operacyjnych US1 i US2. Pr¹d pobierany przez uk³ad bez sygna³u nie przekracza 20 mA.
T
R2
R6
R18
R16
T
C16
R10
R8
R17
R13
R1
R12
R7
R3
R4
R19
774
477
10/99
to normalne. Gdy wzmocniony sygna³
wyemitowany przez s³uchawki zostanie
odebrany przez mikrofon ulega on dalszemu wzmocnieniu, tak d³ugo a¿ nast¹pi
wzbudzenie uk³adu objawiaj¹ce siê piskiem. Warunki wzbudzenia s¹ zmienne
i zale¿¹ od g³oœnoœci i odleg³oœci s³uchawek od mikrofonu. Jedynym sposobem
wyeliminowania sprzê¿enia jest zmniejszenie wzmocnienia uk³adu.
Wykaz elementów
Pó³przewodniki
US1, US2
– LM 358
Rezystory
R4, R5,
R10
– 1 kW/0,125 W
R14÷R16 – 3,9 kW/0,125 W
R17, R18
R1, R2,
R8, R19
– 6,8 kW/0,125 W
R11÷R13
R7
R9
R6
R3
P1
P2
–
–
–
–
–
–
–
– 10 kW/0,125 W
22 kW/0,125 W
33 kW/0,125 W
51 kW/0,125 W
68 kW/0,125 W
100 kW/0,125 W
47 kW-B PR 186
47 kW-A PR 186
Kondensatory
C4
C9
C8
C7
C6
C5, C13,
C14
C12
C16
C2
C1, C10
C3
C15
C11
–
–
–
–
–
100 pF/50 V ceramiczny
330 pF/50 V ceramiczny
510 pF/50 V ceramiczny
1 nF/50 V ceramiczny
2,2 nF/50 V ceramiczny
– 4,7 nF/50 V ceramiczny
– 10 nF/50 V ceramiczny
– 47 nF/50 V ceramiczny
– 330nF/50 V MKSE-20
– 10 mF/25 V
– 22 mF/25 V
– 47 mF/16 V
– 100 mF/16 V
Inne
M1
S£1
– miniaturowy mikrofon pojemnoœciowy (elektretowy)
– s³uchawki 16÷33 W
W£1
– prze³¹cznik suwakowy
trzypozycyjny
p³ytka drukowana numer 477
P³ytki drukowane wysy³ane za zaliczeniem pocztowym, mo¿na zamawiaæ w redakcji PE.
Cena:
p³ytka numer 477 – 3,55 z³
+ koszty wysy³ki.
à Ryszard Kozera
T