تحقیق و پژوهش ميكروفونها (مبدلهاي الكتروآكوستيكي)

ميكروفونها يا مبدلهاي الكتروآكوستيكي، دستگاههايي هستند كه تغييرات انرژي آكوستيكي را به انرژي الكتريكي تبديل مي كنند. (ضمناً عكس اين مطلب نيز در مورد بلندگوها صادق است). همانطور كه مي دانيم انرژي صوتي از نوع انرژي مكانيكي است و با جرم، محيط الاستيك و نيرو سر و كار دارد. بنابراين حفظ و انتقال انرژي صوتي (آكوستيكي) در برد زياد امكان پذير نيست. فرض كنيد انرژي صداي گفتگوي انسان به ميزان انرژي رعد و برق (مثلاً db130) باشد، البته مي دانيم كه برد انتقال اين انرژي محدود است، در صورتيكه اگر اين انرژي (صوتي) به انرژي الكتريكي تبديل شود هرگونه تغيير و تبديل روي آن براحتي امكان پذير مي شود. براي مثال، انرژي الكتريكي را مي توان بهر ميزان تقويت كرد و آنرا به هر نقطه در فواصل خيلي دور ارسال داشت. مثلاً بردن يك نوار ضبط صوت در هر نقطه و يا انتقال صداي گوينده اي كه در جلوي ميكروفون در استوديو در يك نقطه از جهان صحبت مي كند و اين انرژي توسط فرستنده راديوئي به ساير نقاط با وسعت بسيار پخش مي شود. انرژي الكتريكي بوسيله9 بلندگو مجدداً به انرژي اكوستيكي تبديل مي شود. در اين فصل طرز كار اين مبدلهاي الكتروآكوستيكي را مورد مطالعه قرار مي دهيم.

با توجه به ماهيت انرژي آكوستيكي دستگاههائي كه كار تبديل را انجام مي دهند به هر ترتيب با عمل مكانيكي سر و كار دارند و سيستمهاي نوسان كننده مكانيكي مطرح مي شوند. همانطور كه اگر شخصي در موقع صحبت كردن يك صفحه كاغذ را بطور كشيده در جلوي دهان خود قرار دهد، متناسب با دامنه و فركانس انرژي صوت كاغذ به ارتعاش درمي آيد، ممبران ميكروفون بر اثر صوت ارتعاش مي نمايد، با استفاده از پديده هاي فيزيكي مانند پديده هاي القاي الكترومانيتيك، اثر پيزد الكتريك، تغييرات ظرفيت خازن و تغييرات مقاومت گردد، ذغال انرژي اكوستيكي به انرژي الكتريكي تبديل مي كند.

قبل از پيشرفت علم الكترونيك و ساختن تقويت كننده هاي مناسب معمولاً از شرايط نامناسب معمولاً از شرايط نامناسب ميكروفون استفاده مي شد، زيرا اگر بخواهيم سيگنال خروجي ميكروفون بر حسب فركانس در نوار 20 تا 20000 هرتز خطي باشد راندمان ميكروفون بسيار ناچيز خواهد بود. بطوريكه اگر سيگنال بلافاصله درون ميكروفون تقويت نشود بر اثر ضعيف بودن دامنه سيگنال نويز بسياري وارد شده و عملاً استفاده از سيگنال با كيفيت مناسب بدون استفاده از تقويت كننده امكان پذير نمي باشد.

بنابراين در محاسبه ميكروفون بدون استفاده از تقويت كننده سعي مي شود راندمان نسبتاً بالا باشد كه موجب باريك و نماصاف شدن پاسخ فركانس مي شود. مانند ميكروفون ذغالي كه داراي راندمان خوب بوده ولي پهناي نوار فركانس آن كم و ناصاف مي باشد. امروزه در بيشتر موارد از ميكروفونهاي با كيفيت خوب در امر صدابرداري در راديو و تلوزيون و استوديوها استفاده مي شود كه داراي تقويت كننده هاي اوليه الكترونيكي مي باشد.

ضمناً ميكروفونهاي با كيفيت عالي براي كارهاي دقيق اندازه گيري بدون نويز و بدون ديستورشن ساخته مي شود و در نوار فركانس 20 تا 20000 هرتز پاسخ خطي دارند كه در آزمايشگاههاي تحقيقاتي از آنها استفاده مي شود.

ميكروفونها تغييرات فشار صورت درون محيط را به تغييرات مشابهي از ولت يا جريان در داخل مدار الكتريكي كه متصل به آن است تبديل مي نمايند. كه اين جريان وارد دستگاههاي تقويت كننده شده و پس از عمليات مختلف توسط بلندگو به انرژي صوتي تبديل مي شود. حال در اين فصل به معرفي انواع مختلف ميكروفونها مي پردازيم.

ساختمان ميكروفونها

ميكروفون ها از نظر ساختمانم به چند دسته تقسيم مي شوند. ميكروفون هاي ذغالي، ميكروفون هاي ديناميكي، ميكروفون هاي الكترومغناطيسي، ميكروفونهاي الكترواستاتيك، ميكروفون هاي نواري و ميكروفون هاي پيزوالكتريكي (كريستالي).

ميكروفونهاي ذغالي (كربن دار)

ميكروفون هاي ذغالي تشكيل شده از يك مخزن ذرات ذغال، اين ذرات ذغال ممكن است به اشكال مختلف هندسي تهيه شود. روي ذرات ذغال يك شاخكي قرار دارد كه به ديافراگم يا ممبران متصل است كه اگر در مقابل اين ممبران يل ديافراگم صوت ايجاد كنيم مرتعش مي گردد. ارتعاشات حاصل در ممبران، دقيقاً همان مشخصات ارتعاشات منبع صوت را دارا مي باشد. و اين تغييرات فشار عيناً به شاخك انتقال مي يابد. تغييرات ايجاد شده در ممبران يا شاخك باعث تغيير مقدار فشردگي ذرات ذغال به يكديگر شده كه در نتيجه مقاومت الكتريكي مجموعه مخزن تغيير مي يابد. و مشاهده مي كنيم كه متناسب با همان تغييرات فشار وارده روي ممبراتن جريان I كه از مدار عبور مي كند تغيير مي يابد. يعني توانسته ايم تغييرات فشار صورت را تبديل به جريان الكتريسيته نمائيم. كه اين جريان متغيير را مي توان بصورت فشار الكتريكي از دو سر مقاومت باز دريافت كرد.

اين ساده ترين و ارزانترين ميكروفون است كه از سال 1984 تا كنون از آن استفاده مي شود. اين ميكروفون داراي بازده با راندمان زيادي است. بنابراين بدون طبقات تقويت كننده مي توان از آن استفاده نمود. ولي در شرايط حرفه اي از آن استفاده نمي شود چون از نظر پهناي باند فركانسي مطلوب نمي باشد يعني پهناي باند آن وسيع نيست و كيفيت مطلوب و خوبي را دارا نمي باشد بنابراين از آن فقط براي انتقال سخن در تلفن و در راديو فقط در ارتباطات داخلي بين افراد استفاده مي شود. در شكل زير نمونه اي از يك پهناي باند فركانسي در يك ميكروفون ذغالي با فشار ثابت ديده مي شود.

ميكروفون ذغالي از لحاظ پاسخي فركانسي Frequency Response داراي دو اشكال اساسي و مهم مي باشد.

1-عرض باند آن (پهناي باند فركانسي) محدود است به اين ترتيب كه هم از نظر فركانس هاي بالا و پايين در عبورش محدوديت دارد. پهناي باند فركانسي اين ميكروفون بين HZ300 تا HZ3500 نيز مي باشد.

2-همين عرض باند نيز خطي نيست. منظور از خطي نبودن همان تغييرات سطح دامنه باند فركانسي نيز مي باشد. همانطور كه بيانم شد از اين ميكروفون در صنعت تلفن استفاده مي شود چرا كه در اين جا، فقط هدف ما رساندن پيام مي باشد و كيفيت صدا براي ما مطرح نيست. حتي اين نوع ميكروفون در دستگاههاي خانگي نيز استفاده نمي شود.

ميكروفونهاي ديناميكي (Moving Coil Nie)

ميكروفونهاي ديناميكي تشكيل شده از يك ممبران از جنس سبك نظير كاغذ، پلاستيك و با آلومينيوم كه يك سيم پيچ به ممبران (ديافراگم) متصل است و اين سيم پيچ مي تواند در داخل شكاف قطبين يك آهن ربا حركت نمايد. بنابراين وقتي كه فشار صوتي روي اين ممبران وارد مي آيد ممبران و در نتيجه سيم پيچ متصل به آن با همان ريتم تغييرات صوتي نوسان مي نمايند، از حركت سيم پيچ در داخل ميدان مغناطيسي يك جريان الكتريكي روي سيم پيچ القا مي گردد كه ريتم تغييرات اين جريان درست با ريتم تغييرات فشار وارده روي ممبران است.

اين ميكروفون، اولين خانواده ميكروفوني است كه بطور حرفه اي استفاده مي شود و در اين ميكروفون مغناطيس ثابت و سيم پيچ (Coil) متحرك و جرياني حدود دهم ميلي ولت ايجاد مي شود و در ميكروفون هاي حرفه اي حدود mv2/0 است.

علت اينكه اين ميكروفون ها در مصارف حرفه اي استفاده مي شود داشتن عرض باند خطي وسيعي است ولي قيمت آن بسيار گران مي باشد. اين ميكروفون ها نسبت به ميكروفون ذغالي راندمان كمتري دارد ولي داراي كيفيت بهتري است و در صنايع حرفه يا مخصوصاً در صدا و سيما بنحو احسن استفاده مي گردد و از اين ميكروفون براي ضبط گفتار استفاده مي شود. ضمناً براي زياد كردن راندمان اين نوع ميكروفون با قرار دادن سوراخ در پشت ديافراگم كه به فضاي خارج متصل باشد و با محاسبه سطح و طول سوراخ يك مقدار از انرژي صوتي را با 180 درجه اختلاف فاز به پشت ديافراگم منتقل مي نمايند اين فيدبك به حركت به ممبران كمك كرده و راندمان

ميكروفون زياد مي شود.

تحقیق و پژوهش ميكروفونها (مبدلهاي الكتروآكوستيكي)