Семинар

116 конгресс AES.
Прогресс в развитии микрофонов

И.А. Алдошина

На последнем конгрессе AES, прошедшем в Берлине 8 – 11 мая 2004 г., среди огромного многообразия обсуждавшихся проблем, большое внимание было уделено микрофонам.
На научных секциях были сделаны доклады по различным аспектам развития микрофонов, организованы семинары: от учебного на тему «Как работают микрофоны» до научного и производственного, проведенного фирмой Neumann. На выставке, проходившей в рамках конгресса, было также представлено множество моделей ведущими фирмами Neumann, AKG, Shure, DPA Microphones, Sony и др. Такое внимание неудивительно, поскольку микрофон является входным звеном тракта звукозаписи и от его параметров в значительной степени зависит качество выходного сигнала.
Если суммировать основные сообщения по теме микрофонов, сделанные на этом конгрессе, то можно выделить три главных направления: совершенствование конструкций и улучшение параметров известных типов микрофонов, поиск новых принципов преобразования энергии в микрофонах и создание новых систем стереомикрофонов для записи звука по системам Surround Sound 5.1 и др.
В данной статье постараемся рассказать о первом направлении. В докладе S.Peus, представителя фирмы Neumann, «Современный акустический и электронный дизайн студийных конденсаторных микрофонов» был дан анализ развития микрофонов за последние десятилетия.
Конденсаторные микрофоны используются уже более 70 лет в профессиональной звукозаписи. Они ценятся за хорошую частотную характеристику, большой динамический диапазон и прекрасные переходные искажения. В «Install Pro», 2002, N№3, была опубликована статья, посвященная методам измерений параметров современных микрофонов, где были даны определения указанных выше параметров.
Принцип действия конденсаторного микрофона достаточно прост: он представляет собой плоский конденсатор, состоящий из двух обкладок. Из них внешняя, обращенная к источнику звука, сторона выполнена в виде тонкой круглой металлизированной изнутри диафрагмы, скрепленной по окружности с кольцом из диэлектрика. Второй обкладкой конденсатора служит массивное металлическое основание. Обкладки располагаются на малом друг от друга расстоянии h, образуя таким образом плоский конденсатор. Последний соединяется через нагрузочное сопротивление R с источником постоянного поляризующего напряжения U. Под воздействием звукового давления pзв диафрагма совершает колебания. При этом расстояние между пластинами конденсатора изменяется, соответственно изменяется и его емкость C, возрастая при сближении пластин и уменьшаясь при удалении. Заряд конденсатора – это q~CU, при изменении расстояния величина тока будет изменяться:
dI = є0SU {d(1/h)/dt},
где є0 – диэлектрическая постоянная, S – площадь диафрагмы, U – постоянное напряжение на конденсаторе, h – расстояние между пластинами, t – время. В результате на сопротивлении нагрузки возникает сигнал, отображающий колебательный процесс диафрагмы.
Диафрагма обычно выполняется из полиэстера, покрытого с внутренней стороны золотом. Расстояние между обкладками стремятся сделать как можно меньше (20 – 40 мкм), но оно ограничивается возможностью пробоя, опасность которого возникает от относительно большого поляризующего напряжения U = 50 – 60 В между электродами. Постоянное напряжение обычно подается по обкладкам сигнального кабеля (поэтому оно называется «фантомным»). Реальный капсюль конденсаторного микрофона имеет очень сложную конструкцию с особой формой неподвижного электрода с использованием дополнительных акустических полостей, иногда с применением двух диафрагм и т.д. (рис. 1).

Первые образцы конденсаторных микрофонов появились в конце 30-х гг., одна из первых моделей CMV-3 с капсюлем М1-2 показана на рис. 2. Частотная характеристика (зависимость уровня чувствительности от частоты), представленная на рис. 3, демонстрирует значительный подъем почти на 12 дБ в области 5 кГц и резкий спад к 10 кГц. Однако это был прогресс по отношению к угольным, ленточным и динамическим микрофонам, используемым в тот период.

Через несколько лет появился капсюль М7 (рис. 4). Он имел уже значительно более широкий частотный диапазон, сбалансированную характеристику с подъемом 3-4 дБ на высоких частотах.
В современных микрофонах, как известно, частотный диапазон 20 – 20000 Гц (и выше) с неравномерностью +/-1 дБ. Для улучшения передачи голоса в них обычно используется подъем ЧХЧ на 3-4 дБ в области 3-5 кГц. Однако частотная характеристика микрофонов (как и других преобразователей) не однозначно определяет их качество звучания (можно сказать, что «хорошая» частотная характеристика является условием необходимым, но недостаточным).
К числу не менее важных параметров относится «стабильность» звучания микрофонов. В этом отношении был достигнут значительный прогресс за последние десятилетия. Прежде всего, он был связан с изменением технологии изготовления мембран: первые мембраны изготавливались из целлулоида, а позднее – из поливинилхлорида (PVC), из которого удавалось получить тонкие пленки однородной толщины, выдерживающие большое натяжение. Однако PVC не очень устойчив к влажности и температуре, со временем в нем происходит потеря пластичности, что вызывает изменение вибрационных процессов в диафрагме. Кроме того, со временем он становится ломким, что приводит к появлению трещин в проводящем металлическом слое на диафрагме и к изменению его электрической проводимости. С 60-х гг. в микрофонах начали использоваться тонкие пленки из полиэстера, майлара и др., которые обладали большей стабильностью. Это позволило добиться того, что хорошо сделанные микрофоны продолжают на протяжении десятилетий звучать так же, как они звучали при изготовлении.
Существенный вклад в улучшение параметров и качества звучания микрофонов внесло изменение компонентов в их электронных цепях: в первом поколении микрофонов значительное влияние на качество звука оказывали трансформаторы, используемые для согласования импедансов. В зависимости от выбора их размеров, магнитных материалов, конструкции катушек и др., изменялись форма частотной характеристики микрофонов и переходные искажения в них. В частности, появлялся резонансный пик в высокочастотной области частотной характеристики, обусловленный взаимодействием индуктивности трансформатора и емкости кабеля, что приводило к изменению передаточных функций микрофона. Изготовление трансформаторов требовало дорогих компонентов, а их установка обусловливала достаточно большие размеры корпуса. Поэтому замена выходных трансформаторов электронными компонентами была значительным шагом вперед. Сравнительные субъективные тесты показали также существенное улучшение качества звучания. Слушатели отмечали, что при переходе к бестранформаторным цепям создается ощущение большей прозрачности звучания (как будто «поднята вуаль»).
Приблизительно к 1965 г. произошел переход от ламповых к транзисторным схемам в микрофонных цепях. Полевые транзисторы стабильны, позволяют уменьшить габариты, снизить нелинейные искажения и уровень шумов (следует, правда, отметить появившуюся за последние годы ностальгию по ламповым микрофонам, которые имеют больший уровень искажений, но создают при этом более «мягкий» тембр звучания, по утверждению многих аудиофилов).
В 2001 г. на 111 конгрессе AES фирма Neumann впервые продемонстрировала цифровые микрофоны (модель Solution-D), в которых слабый сигнал от капсюля поступал прямо в АЦП и цифровой процессор. Это дало возможность убрать аналоговые схемы из корпуса (где обычно размещался предусилитель) и обеспечить прямое поступление цифрового сигнала в формате AES/EBU в пульт или другие устройства.
Основным элементом микрофона является, конечно, капсюль – электроакустический преобразователь, качество которого, безусловно, зависит от формы его передаточной функции, т.е. формы его частотной характеристики, как на оси, так и под углами (полярные диаграммы). Однако, как уже было отмечено выше, равномерная форма частотной характеристики еще не достаточное условие для получения хорошего качества звучания.
Комплекс работ, выполненный за последние годы в психоакустике, показал, что для распознавания тембра не только стационарная часть звука, но и период формирования его временной структуры (атака) и период затухания (спада) являются принципиально важными элементами.
При прослушивании музыки и речи в любом помещении первые отражения поступают на слуховую систему после того, как атака и начало стационарной части уже были услышаны, в то же время на стационарную часть и спад звука от инструмента накладывается реверберационный отклик данного помещения, что значительно маскирует звук и, естественно, приводит к модификации восприятия его тембра. Хотя слух обладает определенной инерционностью, тем не менее время между началом прихода прямого звука и моментами поступления первых отражений оказывается достаточным, чтобы распознать тембр звучания отдельного инструмента.
Современные музыкальные компьютерные программы позволяют детально проанализировать процессы установления звука у разных инструментов и выделить существенные акустические признаки, наиболее важные для определения тембра. Процесс атаки у большинства музыкальных инструментов и голоса продолжается несколько десятков миллисекунд, за этот период (иногда с переходом на стационарную часть) слух воспринимает постепенное расширение спектра во времени, так как вступают все новые обертоны с различной скоростью и амплитудой. Поскольку этот процесс «развертывания» обертонов характерен для каждого инструмента, то, по-видимому, он и служит одним из главных признаков распознавания тембра. Пример формирования атаки и спада звука для колокола на его трехмерном спектре приведен на рис. 5.
Анализ полученных результатов показывает, что процесс атаки звука существенно зависит от физической природы звукоизвлечения на данном инструменте, что определяет количество гармоник, время их «вступления», скорость выстраивания их амплитуды, а соответственно и форму огибающей временной структуры звука. В период атаки высшие гармоники иногда опережают основной тон, поэтому могут происходить флюктуации высоты тона. Все эти признаки помогают слуховой системе «опознать» тембр того или иного инструмента в начальный момент звучания. Таким образом, процесс развертывания спектра в период атаки звука является важнейшим фактором распознавания тембра инструмента и его идентификации.

Поскольку микрофон – это первое звено в тракте звукозаписи, его задачей является неискаженная передача процессов установления и спада звучания музыкальных инструментов, голоса и других источников звука. Поэтому за последние годы серьезное внимание при проектировании микрофонов было уделено снижению уровня переходных искажений в них. К сожалению, методика их измерений для микрофонов еще не введена в международные стандарты, хотя их значимость очевидна. На рис. 6 представлен конденсаторный микрофон с капсюлем 22 мм, частотный диапазон которого достигает 25 кГц со спадом 3 дБ. Форма его импульсной характеристики (рис. 7) показывает, что микрофон с маленькой диафрагмой достаточно точно передает форму импульса, кроме небольших искажений, за счет ограничений полосы передачи в области 25 кГц.

Однако за последние годы было создано поколение микрофонов с двойными большими диафрагмами, которые обеспечивают более высокую чувствительность и более широкий динамический диапазон (рис.8). Диафрагмы больших диаметров имеют большую собственную динамическую массу и присоединенную массу воздуха, которая колеблется вместе с диафрагмой (она составляет 60% от общей массы). Кроме того, в них участвует в колебаниях и слой воздуха, заключенный между двумя диафрагмами. Первые микрофоны такого типа со сдвоенными диафрагмами диаметром 34 мм появились в 60-е гг. Представленная на рис.9 их импульсная характеристика показывает увеличение искажений за счет расширения основного пика и увеличения амплитуды и длительности затухающих колебаний.
Прогресс, достигнутый в этом направлении, демонстрирует импульсная характеристика конденсаторного микрофона выпуска 2003 г. с двумя диафрагмами диаметром 33 мм (рис. 10). На рис. 10 отчетливо видно уменьшение длительности и амплитуды переходных процессов по сравнению с рис. 9. Это привело к существенному улучшению качества звучания микрофонов, сделав его более натуральным.
Принципиально важное значение для качества звучания микрофона имеет уровень шумов. Последние возникают в микрофонах за счет акустических шумов в капсюле и электрических цепях. Следует отметить, что независимо от их происхождения шумы в соответствии со стандартом IEC-651 (DIN45-412) определяются через эквивалентное звуковое давление следующим образом: «Уровень эквивалентного звукового давления, обусловленного помехами, рассчитывается как двадцать десятичных логарифмов отношения звукового давления, вызывающего на выходе микрофона напряжение, равное напряжению, обусловленному внешними и внутренними помехами при отсутствии звукового поля, к звуковому давлению, равному 2 х 10-5 Па». Это означает, что измеряется напряжение на выходе микрофона в отсутствии звукового давления, создаваемое только внутренними шумами, и затем определяется, какому звуковому давлению оно могло бы соответствовать.
Способы измерения несколько отличаются в разных стандартах, поэтому обычно в современных каталогах приводятся два значения эквивалентного уровня шумов: по стандартам DIN 45-412 (IEC 651) и DIN 45-405 (CCIR 468-2).

В международных каталогах на микрофоны указываются следующие величины: эквивалентный уровень шума (Equivalent Noise Level) и отношение сигнал/шум (Signal/Noise ratio). Это отношение так же рассчитывается двумя способами:
– S/N ratio (DIN/IEC651) – отношение сигнал/шум, измеренное как разница между опорным уровнем звукового давления 94 дБ (1 Па) и уровнем эквивалентного звукового давления, измеренного по IEC 651;
– S/N ratio (CCIR 468-2) – отношение сигнал/шум измеряется как разница между уровнем напряжения микрофона, находящегося внутри звукового поля с давлением 1 Па = 94 дБ, и уровнем напряжения, соответствующего собственному шуму, измеренному с фильтром по CCIR 468-2.

Основная причина возникновения шумов – акустические шумы в капсуле.
Диафрагма окружена воздухом, в зависимости от его температуры молекулы воздуха, находящиеся в броуновском движении, ударяются о диафрагму с разной силой, вызывая ее смещение и появление напряжения на выходе микрофона, даже при полном отсутствии звукового воздействия. Величина этого смещения зависит от объема воздуха вокруг диафрагмы (определяемого размерами диафрагмы и конструкцией микрофонов – давления или градиента давления, в которых звуковая волна попадает на обе стороны диафрагмы), что ограничивает размеры диафрагмы (обычно 21 мм для малых и 34 мм для больших капсюлей).
Классический капсюль состоит из двух электродов: подвижной диафрагмы и неподвижного массивного электрода. Чувствительность его зависит от ряда причин: гибкости диафрагмы, конструкции массивного электрода, расстояния между электродом и диафрагмой, величины поляризующего напряжения и др. В предыдущие годы основное внимание уделялось снижению уровня шумов и увеличению отношения сигнал/шум главным образом в электронных цепях, где шум был достаточно велик. В настоящее время, когда достигнут значительный прогресс в электронной схемотехнике (особенно в связи с переходом на цифровые устройства), основное направление борьбы с шумами сосредоточилось на конструкции капсюля.
В 80-е гг. появились микрофоны с капсюлем типа push-pull, где диафрагма располагается между двумя неподвижными электродами, при этом диафрагма генерирует полезный сигнал в обоих направлениях движения, что значительно улучшает отношение сигнал/шум и снижает уровень нелинейных искажений.
Значительный прогресс был достигнут в проектировании электрических цепей микрофонов и снижении за счет этого уровня электрических шумов. Иллюстрацией тому могут служить данные табл. 1, где приведены микрофоны разных лет разработки с одинаковыми капсюлями и разными электрическими цепями. Из таблицы видно, как постепенно удалось добиться снижения уровня шумов и расширения динамического диапазона.
Данные табл. 2 показывают, что уровень шума современных микрофонов достиг 7 дБА. Дальнейшее его снижение связано прежде всего с изменением конструкции капсюля. По-видимому, в имеющихся типах добиться существенного снижения не удастся, необходим переход на другие виды преобразования (например, оптические), поскольку уже и так регистрируемый уровень акустического шума 3 мкВ для микрофона с большой диафрагмой (диаметром 34 мм, расстоянием между диафрагмой и электродом 30 мкм и поляризующим напряжением 60 В) соответствует чрезвычайно малому смещению диафрагмы 1,5 х 10-12м.
Необходимо отметить, что современные микрофоны имеют уровень шумов значительно ниже обычного уровня шума в студии звукозаписи (за счет проникающих шумов, шума осветительной аппаратуры, кондиционеров и др.). На рис. 11 приведена частотная зависимость уровня шумов в радиовещательной и телевизионной студии, в микрофоне U87A, а также кривая порогов слуха. Как видно из этих данных, уровни шумов в современных микрофонах значительно ниже уровней шума в помещениях и практически ниже пороговых кривых слуха.
Результаты, представленные в табл. 1 и 2, показывают, что существенный прогресс был достигнут и в увеличении динамического диапазона от 100 до 130 дБ, что имеет огромное значение для работы в цифровых трактах звукозаписи.
Динамический диапазон (dynamical range) определяется как разность между максимальным уровнем звукового давления (max SPL), при котором нелинейные искажения на выходе микрофона меньше 0,5% и эквивалентным уровнем шума, определенным по IEC-651 (или CCIR 468-2).
Конечно, принципиальным шагом вперед было появление цифровых микрофонов, о которых было сказано выше, что позволило еще более снизить уровень шумов и соответственно расширить динамический диапазон.

Таким образом, сделанный фирмой Neumann анализ показывает, что постепенно улучшаются такие принципиально важные параметры конденсаторных микрофонов, как переходные искажения, уровень шумов, динамический диапазон, стабильность и др, а соответственно и качество их звучания, что является основой дальнейшего развития современной студийной звукозаписи.
Об остальных, упомянутых выше, направлениях развития микрофонов, которые обсуждались на 116 конгрессе AES, постараемся рассказать в следующих статьях.

Таблица 1
Таблица 2