AKUSTIKA 15 - Mikrofoni
197
15. MIKROFONI
15.1 Uvod
Mikrofon je ulazni elektroakusti
č
ki pretvara
č
koji je prilago
đ
en radu u vazduhu
kao mediju. Mikrofon pretvara zvu
č
ni pritisak, koji mu je ulazna veli
č
ina, u elektri
č
ni
signal na njegovom izlazu, kao što je prikazano na slici 14.2. U akusti
č
kom smislu pod
pojmom mikrofona podrazumeva se konstrukcija koja vrši to pretvaranje, mada se u
praksi ova osnovna konstrukcija pretvara
č
a naziva još i „mikrofonska kapisla“. U
nastavku ovog teksta pod pojmom mikrofona podrazumeva se upravo taj pretvara
č
ki
sistem.
Danas pojam mikrofona u svakodnevnom životu ozna
č
ava jednu vrstu ure
đ
aja.
On u sebi, kao najvažniji deo, sadrži mikrofonsku kapislu u kojoj se vrši pretvaranje, ali
tako
đ
e ima i druge komponente od kojih je sastavljen i koji omogu
ć
avaju njegovo
planirano koriš
ć
enje. To su zaštitna mrežica kapisle, ku
ć
ište prilago
đ
eno odre
đ
enoj
nameni (za držanje rukom, za montažu na stativ, fiksiranje na muzi
č
kim instrumentima,
itd), konektor za povezivanje sa kablom. Neke vrste mikrofona opciono mogu u sebi
imati i druge delove kao što su transformator za prilago
đ
enje impedanse, poja
č
ava
č
,
jednostavna filtarska kola, itd.
Mikrofon se kao ideja pojavio još davne 1854. godine, pa tako spada u najstarije
elektroakusti
č
ke konstrukcije. Od svog nastanka do danas mikrofon je doživljavao
stalne promene i usavršavanja. U novije vreme razvoj mikrofona vodio je u dva pravca.
Jedan pravac težio je ka vrhunskom kvalitetu pretvaranja, pa danas najkvalitetniji
mikrofoni imaju izuzetne prenosne karakteristike. Kao ilustracija dometa može se
navesti da danas postoje mikrofoni
č
ije je donja grani
č
na frekvencija reda delova Herca,
kao i mikrofoni sa gornjom grani
č
nom frekvencijom reda 100 kHz, pa i više. Tako
đ
e
postoje mikrofoni koji dovoljno linearno mogu registrovati nivoe zvuka do 170 dB, kao i
mikrofoni koji mogu registrovati zvuk ispod nivoa 0 dB. Drugi pravac razvoja mikrofona
vodio je ka pravljenju izuzetno jeftinih modela, koji se proizvode u masovnoj
automatizovanoj proizvodnji, a koji pri tome imaju dovoljno dobre elektroakusti
č
ke
karakteristike. To su proizvodi koji su našli svoje mesto u telefoniji, multimedijima, i
drugim sli
č
nim oblastima.
15.2 Osnovne karakteristike mikrofona
Mikrofon kao sklop može se principijelno predstaviti strukturom kao na slici 15.1.
Delovanje fizi
č
ke pobude membrane, koja nastaje iz zvu
č
nog polja, optere
ć
eno je
nekom akusti
č
kom impedansom
Z
am
koja se tome suprotstavlja. Vrednost te impedanse
AKUSTIKA 15 - Mikrofoni
198
dominantno odre
đ
uje mehani
č
ka impedansa membrane preslikana u akusti
č
ki domen,
ali i sve drugo iz okruženja što može na neki na
č
in uticati na kretanje membrane. Na
izlazu mikrofona javlja se signal koji nastaje delovanjem generatora elektromotorne sile
e
p
. On nastaje kao posledica delovanja pobudnog pritiska
p
u procesu elektroakusti
č
kog
pretvaranja. U izlaznom kolu mikrofona postoji još i njegova izlazna impedansa
Z
izl
. Ona
je naj
č
eš
ć
e
č
isto termogena, ali kod nekih konstrukcija mikrofona može imati i
induktivnu komponentu, što
ć
e biti pokazano kasnije.
e
p
Z
izl
Z
am
MIKROFON
p
Slika 15.1 – Principijelna predstava
strukture mikrofona
Funkcija mikrofona kao pretvara
č
a sa slike 15.1 definiše se s tri karakteristi
č
na
parametara. To su:
- faktor pretvaranja,
-
dinami
č
ki opseg i
- usmerenost.
Ove osobine su detaljnije objašenje u nastavku.
Faktor pretvaranja – osetljivost mikrofona
Faktor
pretvaranja
T
E,p
osnovna je odlika mikrofona i koristi se kao parametar
kojim se opisuje proces pretvaranja. On definiše vezu izme
đ
u ulazne i izlazne veli
č
ine
sa slike 15.1, to jest izme
đ
u pobudnog pritiska i elektromotorne sile koja usled toga
nastaje. Faktor pretvaranja uobi
č
ajeno se naziva osetljivost mikrofona i ozna
č
ava sa
s
(
sensitivity
). Po definiciji, to je:
p
E
s
T
p
p
E
=
=
,
(15.1)
gde je
E
efektivna vrednost elektromotorne sile, a
p
je efektivna vrednost pritiska koja
deluje na membranu i stvara elektromotornu silu
E
. Kao i sve druge veli
č
ine u akustici, i
osetljivost mikrofona ima svoj logaritamski ekvivalent koji se izražava u decibelima:
]
[
]
[
log
20
]
[
Pa
p
V
E
dB
s
p
=
(15.2)
AKUSTIKA 15 - Mikrofoni
200
e
p
R
izl
e
N
R
ul
Slika 15.2 - Ekvivalentno kolo veze mikrofona i
njegovog poja
č
ava
č
a
U
svakom
elektri
č
nom kolu, odnosno u svakoj otpornosti kroz koju
proti
č
e struja javlja se termi
č
ki šum. Efektivna vrednost elektromotorne sile tako
nastalog šuma
E
N
je:
f
R
T
k
E
N
Δ
=
4
gde je
k
Bolcmanova konstanta (1,38
⋅
10
-23
J
/
K
)
T
apsolutna temperatura,
R
otpornost u kolu i
Δ
f
- frekvencijski opseg u kome se posmatra šum.
Uobi
č
ajeno je da se termi
č
ki šum predstavlja svojim nivoom
N
koji se
izražava u dBV (relativno u odnosu na 1 V). Za jedini
č
nu vrednost otpornosti u
kolu (1 Om) i jedini
č
ni frekvencijski opseg (1 Hz),
″
jedini
č
ni
″
nivo signala
termi
č
kog šuma je:
N
11
= -198 dBV (re 1 Om, 1 Hz)
U bilo kom drugom slu
č
aju nivo termi
č
kog šuma je:
[
]
R
f
dBV
N
log
10
)
log(
10
198
+
Δ
+
−
=
Drugi
č
lan ovog izraza pokazuje doprinos širine frekvencijskog opsega, a tre
ć
i
je doprinos otpornosti u kolu.
Pri standardnom frekvencijskom opsegu širine 20 kHz drugi
č
lan
gornjeg izraza ima vrednost 10 log(
Δ
f
) = 43 dB. Ako je ukupna otpornost u kolu
oko 1.000 Oma, što je realna vrednost u mnogim slu
č
ajevima, tre
ć
i
č
lan u
izrazu) je 30 dB pa je tada nivo termi
č
kog šuma u kolu mikrofona oko
−
125 dBV. Svako širenje frekvencijskog opsega i pove
ć
anje ukupne otpornosti
u kolu pove
ć
ava vrednost nivoa sopstvenog šuma.
Specifi
č
nost koja izdvaja mikrofon od ostalih ure
đ
aja u elektroakusti
č
kim
sistemima je nizak nivo izlaznog signala. Zbog toga je u mikrofonima relativno malo
rastojanje izme
đ
u nivoa termi
č
kog šuma i nivoa korisnog signala. U odnosu na
elektronske ure
đ
aje kroz koje mikrofonski signal kasnije može prolaziti, dinami
č
ki opseg
mikrofona je zna
č
ajno manji. Kada mikrofon radi sa niskim nivoima zvu
č
ne pobude
njegov sopstveni šum je osnovni ograni
č
avaju
ć
i faktor.
Na osnovu deficije prikazane tekstom u okviru, u prvoj apsorkcimaciji može se
dinami
č
ki opseg mikrofonskog signala definisati rasponom izme
đ
u nivoa njegovog
sopstvenog termi
č
kog šuma, koji se javlja na nivou od oko
−
125 dBV, i nivoa signala
koga stvara zvu
č
na pobuda. Na primer, ako je osetljivost mikrofona 40 dB, signal na
njegovom izlazu kada na njega deluje zvuk pritiska 1 Pa (94 dB) je na 85 dB iznad
nivoa sopstvenog šuma. Me
đ
utim, ako na isti mikrofon deluje slabija pobuda, na primer
60 dB što je red veli
č
ine nivoa mnogih uobi
č
ajenih zvukova u
č
ovekovom okruženju,
koristan signal je na samo 55 dB iznad nivoa sopstvenog šuma. Ako se koristi mikrofon
sa još manjom osetljivoš
ć
u, koristan signal
ć
e u istim uslovima biti još bliži termi
č
kom
šumu.
Kada se u daljem procesu mikrofonski signal adekvatno poja
č
a da bi se
prosledio dalje, poja
č
a se i njegov termi
č
ki šum. U eventualnim pauzama zvu
č
ne
pobude šum sa izlaza mikrofona postaje
č
ujan. Prema tome, sopstveni termi
č
ki šum,
AKUSTIKA 15 - Mikrofoni
201
koji nastaje u kolu svakog mikrofona kada je povezan na poja
č
ava
č
, odre
đ
uje donju
marginu njegove primene, Termi
č
ki šum odre
đ
uje najtiši zvuk koga mikrofon može
registrovati, to jest njegov prag osetljivosti.
Sopstveni
termi
č
ki šum mikrofona manifestuje se u izlaznom signalu kao da na
njegovu membranu stalno deluje nekakva ekvivalentna spoljašnja buka konstantnog
nivoa i spektralnih svojstava belog šuma. Na slici 15.3 prikazan je odnos skale zvu
č
ne
pobude mikrofona i skale njegovog izlaznog signala za slu
č
aj osetljivosti 3 mV/Pa (pri
pobudi 1 Pa nivo signala je -55 dBV). Nivo termi
č
kog šuma mikrofona na skali izlaznog
signala (
−
125 dBV) preslikan je unazad na skalu nivoa zvu
č
ne pobude. Tako dobijena
vrednost nivoa zvuka definiše nivo te ekvivalentne spoljašnje buke koja odgovara nvou
termi
č
kog šuma. Dobijena vrednost na skali zvu
č
ne pobude naziva se
″
ekvivalentni
ulazni šum
″
mikrofona. U literaturi se ozna
č
ava skra
ć
enicom EIN (
ekvivalent input
noise
) ili
L
EIN
.
Slika 15.3 – Ilustracija odnosa zvu
č
ne
pobude mikrofona i signala na njegovom
izlazu sa definicijom EIN.
Ekvivalentni ulazni šum mikrofona ne može se izbe
ć
i, može se samo minimizirati.
Sa slike 15.3 vidi se da minimizacija EIN zahteva izradu mikrofona ve
ć
e osetljivosti.
Jeftiniji mikrofoni, kakvi se na primer koriste uz ra
č
unare ili u MP3 snima
č
ima, mogu
imati ekvivalentni nivo šuma 30-40 dB. Kvalitetni mikrofoni mogu imati vrednost 20-
30 dB, a vrlo kvalitetni mikrofoni oko 10 dB i niže. Postoje posebne konstrukcije
mikrofona kod kojih je vrednost EIN ispod 0 dB.
Usmerenost mikrofona
Osetljivost mikrofona je u opštem slu
č
aju funkcija upadnog ugla zvu
č
nog talasa.
Konstrukcije mikrofona po pravilu imaju jednu prepoznatljivu fizi
č
ku osu koja se poklapa
