Эволюция микрофонов: от угольного к оптическому

И.А. Алдошина

Из всех видов электроакустических преобразователей, используемых в современной аудиотехнике, микрофон имеет самую длинную историю. Само название «микрофон» было предложено в 1827 г.
Ч. Уитстоуном (Англия) и происходит от слов «micro» – малый и «phone» – звук (греч).

Первая конструкция микрофона была запатентована в 1876 г. знаменитым изобретателем А. Беллом (рис.1) и представляла собой «жидкостный передатчик» (рис.2), принцип устройства которого был достаточно прост: в трубообразный сосуд был налит водный раствор кислоты, в котором «плавала» пергаментная диафрагма с присоединенным к ней проводом. Когда кто-то говорил в рупор, диафрагма начинала колебаться, провод больше или меньше погружался в раствор и соответственно менялось сопротивление электрической цепи, с которой он был соединен. Такой «микрофон» был продемонстрирован на выставке в Филадельфии в 1876 г. и подтолкнул целую группу изобретателей Э.Берлинера, Д.Хьюза и Т.Эдисона к созданию угольного микрофона.
Угольный микрофон, запатентованный в 1886 г. Томасом Эдисоном, представлял собой сосуд, заполненный угольными гранулами, находящимися между двумя электродами, один из которых был соединен с металлической диафрагмой, закрывающей сосуд. Когда диафрагма колебалась под действием звуковой волны, гранулы сжимались, менялось сопротивление в цепи и появлялся электрический ток. Такой микрофон был достаточно прост в изготовлении и получил широкое распространение вплоть до нашего времени, особенно в телефонии (один из образцов угольного микрофона показан на рис.3). Однако эти микрофоны не обеспечивали хорошего качества звука и со временем в них появлялось много тресков и шумов. Поэтому поиски новых принципов преобразования для микрофонов постоянно продолжались.
Конденсаторный микрофон был создан в 1917 г. Е.Венте в лаборатории Bell Lab (США) и использовался только для измерительных целей. С 1926 г. BBC начала использовать такого типа микрофоны в радиовещании, однако только в 1947 г. компания AKG представила первую промышленную модель С1, затем с 1962 г. началось их массовое производство в США. Сейчас конденсаторные микрофоны составляют основную долю в промышленном выпуске и широко используются в звукозаписи, радиовещании, телевидении и др.
Принцип их устройства достаточно прост – это 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, образуя таким образом плоский конденсатор. Последний соединяется через нагрузочное сопротивление с источником постоянного поляризующего напряжения. Под воздействием звукового давления диафрагма совершает колебания. При этом расстояние между пластинами конденсатора изменяется, соответственно изменяется и его емкость, возрастая при сближении пластин и уменьшаясь при удалении. Заряд конденсатора равен: q~CU, при изменении расстояния величина заряда будет меняться, и ток через резистор будет равен:, где – диэлектрическая постоянная; S – площадь диафрагмы; U – постоянное напряжение на конденсаторе; h – расстояние между пластинами; t – время. В результате на сопротивлении нагрузки R возникает сигнал, отображающий колебательный процесс диафрагмы.
Диафрагма диаметром 6 – 25 мм обычно выполняется из полистирола, покрытого с внутренней стороны золотом или металлическим сплавом. Расстояние между обкладками стремятся сделать как можно меньше, но оно ограничивается возможностью пробоя, опасность которого возникает от относительно большого поляризующего напряжения U=50 – 60 В между пластинами. Обычно расстояние 20 – 40 мкм. Постоянное напряжение 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.4).

Конденсаторные микрофоны имеют ряд преимуществ, которые позволяют их широко использовать в студийной практике. К числу основных можно отнести следующие: низкий уровень переходных искажений (из-за малой массы диафрагмы), широкий частотный диапазон, малая чувствительность к магнитным помехам и т.д. Однако они обладают меньшей механической и климатической стойкостью, чем динамические микрофоны, требуют дополнительного напряжения поляризации и имеют более высокую стоимость.
Электродинамические микрофоны появились сравнительно поздно из-за отсутствия достаточно мощных постоянных магнитов.
Первый ленточный микрофон был создан Г.Олсоном примерно в 1930 г. Промышленный образец появился в 1942 г. в компании RCA (рис.5). В нем использовалась металлическая слегка гофрированная ленточка, которая двигалась под действием звуковой волны в магнитном поле, между полюсами постоянных магнитов, при этом в ней индуцировался переменный электрический ток. Микрофоны такого типа выпускаются до настоящего времени в достаточно больших количествах и широко используются в студийной практике.
Динамический катушечный микрофон появился также сравнительно поздно, первые конструкции были созданы А.Блюмлайном в 30-х гг. на фирме EMI с использованием электромагнитов, с 1936 г. модель такого микрофона HB1A начала применяться в звукозаписи. Позднее после войны с появлением мощных постоянных магнитов начался их промышленный выпуск на фирмах AKG, Neumann и др., и в настоящее время это один их самых массовых типов микрофонов.
Принцип действия катушечных микрофонов основан на том, что при воздействии звуковой волны на легкую диафрагму она начинает колебаться и приводит в движение связанный с ней проводник (звуковую катушку), который помещен в постоянное магнитное поле. При движении проводника с током в магнитном поле в нем индуцируется электрический сигнал, который затем усиливается и передается для дальнейшей обработки.
Конструкция капсюля промышленного электродинамического микрофона достаточно сложна, для обеспечения возможности регулировки формы АЧХ обычно используются дополнительные воздушные объемы сзади диафрагмы. Сверху над диафрагмой на незначительном расстоянии от нее устанавливается накладка и т.д.(рис.6).
Электродинамические микрофоны обладают рядом преимуществ: устойчивостью к перегрузкам, стабильностью работы в различных климатических условиях, прочностью конструкции и др.
Электретные пленочные микрофоны были созданы Сесслером и Вестом в 1962 г. на фирме Bell Labs (США). В них использовалась для подвижной диафрагмы металлизированная тонкая пленка из стабильного диэлектрика (например, из тефлона), способная держать заряд, что позволяло отказаться от устройств, обеспечивающих высокое постоянное напряжение на пластинах конденсатора. Это значительно облегчало технологию их изготовления. Электретные микрофоны нашли в настоящее время широкое применение.
Таким образом, к концу XX в. в практике звукозаписи использовались в основном микрофоны следующих четырех типов: конденсаторные, электретные, динамические катушечные и ленточные. Однако поиски новых принципов преобразования акустического сигнала в электрический (что и происходит во всех перечисленных выше типах микрофонов) все время продолжаются.
Одним из наиболее перспективных направлений, которым на протяжении последних десятилетий занимаются фирма Sennheiser совместно с израильской фирмой Phone-Or, является создание оптических микрофонов.
Результаты научных работ и опыт по созданию образцов таких микрофонов были представлены на 116 конгрессе AES и позволяют судить, что работы по созданию образцов близки к завершению.

Оптические микрофоны используют принцип модуляции интенсивности лазерного светового луча (рис.7): луч света от лазерного источника направляется по оптоволокну и освещает мембрану микрофона. При колебаниях мембраны световой поток модулируется (по интенсивности) и идет по второму оптоволокну на фотодиод, который преобразует сигнал в переменный ток (рис.8). При таком принципе не используется преобразование колебаний мембраны непосредственно в электрический сигнал как в обычных микрофонах. Мембрана может быть вообще размещена на расстоянии нескольких десятков (сотен) метров от источника света и фотодиода из-за низких потерь при передаче сигнала по оптоволокну (потери сигнал/шум составляют меньше 3 дБ на 1 км оптоволокна). Микрофон не производит никаких электромагнитных излучений (ни за счет капсюля, где в других типах микрофонов обычно размещен предусилитель, ни за счет кабелей), и сам нечувствителен к электромагнитным полям. Из-за малых размеров может быть размещен в любом труднодоступным месте (при этом его сложно обнаружить известными методами) и может работать в сильных магнитных, электрических или радиополях.
Малые размеры мембраны оптического микрофона 1,85 х 1,85 мм (только небольшая площадь на мембране используется для модуляции светового луча диаметром менее 0,5 мм) уменьшают переходные и дифракционные искажения и позволяют получить ровную характеристику в широком диапазоне частот от нескольких герц до 10 кГц. При таком способе считывания информации не появляются фазовые сдвиги на поверхности мембраны, форма характеристики направленности сохраняется в широком диапазоне частот. С учетом свойств оптоволокна и специальной силиконовой мембраны микрофон может работать в широком температурном диапазоне – 40 – 85о. Очевидно, что такой микрофон может иметь большой спрос. При этом по мере развития микрооптических технологий (увеличения мощности лазеров, улучшения параметров оптоволокна и т.д.) он может быть вполне доступен по цене.
Основные усилия разработчиков направлены сейчас на преодоление технологических проблем, вызванных прежде всего необходимостью обеспечения стабильности работы микрофона и оптимизации отношения сигнал – шум. Источником шума является, в первую очередь, фотодетектор. Для снижения шума следует увеличить мощность источника света (за счет применения диодных лазеров высокой яркости) и увеличить точность детектирования смещений мембраны (которая выполняет роль отражающего зеркала) при колебаниях.
Для этого потребовалось разработать специальную легкую свободно подвешенную силиконовую мембрану, обладающую высокой чувствительностью и точностью воспроизведения звука. Главные требования к мембране: высокая механическая чувствительность (десятые доли микрометра на один паскаль), хорошая отражающая способность центральной части, высокий уровень линейности (по кривой зависимости смещения от звукового давления), стабильность работы при низких и высоких температурах и высокой влажности. В связи с этим была создана специальная гофрированная мембрана из тонкого слоя нитрида силикона (толщина 0,1 мкм). Отражения света у нее происходят от центрального участка (диаметр 0,5 мм), полученного с помощью нанесения золота фотолитографическим методом (рис.9). Эта технология изготовления мембраны называется MEMS (Micro-Electro-Machining System).
Интенсивность модулированного светового луча зависит от геометрии отражающей мембраны, расстояния между концом оптоволокна и поверхностью мембраны и угловой позиции волокна относительно поверхности мембраны. Связь между интенсивностью отраженного светового луча и расстоянием от конца оптоволокна до поверхности мембраны показана на рис.10. В пределах 20 – 40 мкм она растет относительно линейно, затем достигает максимума (в данном примере на расстоянии 50 мкм) и начинает спадать. Для сохранения линейности обычно выбирается расстояние на первом участке (порядка 25 мкм). Следует отметить, что преобразование механического смещения мембраны в изменение интенсивности света происходит не очень эффективно (кпд не более 5 – 10%, правда, у традиционных микрофонов еще меньше).
Принципиально важную роль для интенсивности выходного луча играет также выбор углового положения оптоволокна относительно поверхности мембраны.

При создании конструкции микрофона на фирме Sennheiser (которая была представлена на 116 конгрессе AES) было исследовано два метода детектирования смещений поверхности мембраны при колебаниях: метод контроля бокового смещения светового пятна и конфокальная дефокусирующая схема.
Принцип работы микрофона по первому методу показан на рис.11. При колебаниях мембраны происходит боковой сдвиг светового пятна относительно центра принимающего волокна, пропорционально величине этого сдвига уменьшается световая интенсивность в принимающем волокне. Для увеличения точности на оптоволокне от источника используется фокусирующая линза. Угловое расположение волокон оптимизировано с помощью специальной программы ZEMAX. Общий вид капсюля такого микрофона показан на рис.12. Оптические волокна уложены в специальные канавки на стеклянной плате, на которой установлен микроструктурированный стеклянный чип. Основные причины создания такого интегрированного оптического микрофона (IOM) заключаются в стремлении снизить его стоимость при будущем массовом производстве, а также уменьшить его размеры (до электретных микрофонов и меньше).
При такой технологии оптический лазер (LED) и фотодиод микрофона смонтированы на одной стеклянной плате, они отделены друг от друга непрозрачной перегородкой и покрыты сверху эпоксидной резиной. Размер лазера 0,3 х 3 мм, фотодиода – 0,6 х 6 мм, общий размер микрофона: диаметр – 0,6 мм, толщина – 2 мм.
Другой принцип, который был реализован в оптических микрофонах, это конфокальная дефокусирующая схема, общая структура которой показана на рис.13. Луч света от лазера поступает по оптическому волноводу на коллиматор (оптическое устройство для получения пучков параллельных лучей), затем – на набор цилиндрических линз, которые фокусируют луч на поверхности мембраны. Отраженные лучи проходят через ту же систему и точно фокусируются в центре приемного оптоволокна. Если мембрана сдвигается из положения равновесия за счет колебаний, то луч света дефокусируется и интенсивность его в приемном волокне уменьшается. Использование такой схемы позволяет существенно повысить чувствительность системы, но это требует увеличения площади отражающей поверхности на мембране до 5 мм и обеспечения строгой параллельности мембраны относительно линз.

На этом принципе был реализован оптический микрофон на фирме Sennheiser, основные элементы которого показаны на рис.14. Частотные характеристики такого микрофона не уступают современным конденсаторным микрофонам. Проблемы, которые возникают в данном случае, связаны с тем, что увеличение площади мембраны до 5 мм (при расстоянии до системы линз 2 мм) снижает чувствительность на самых высоких частотах. Сейчас ведутся работы по использованию специальной перфорированной системы линз, а также поиски других конструктивных усовершенствований.
Описанные выше микрофоны имеют характеристику направленности в виде восьмерки, поскольку звуковая волна имеет доступ на обе стороны мембраны (подробнее об этом было в статье «Акустическая метрология», Install Pro, 2002, N2 (16). Однако можно на основе этой конструкции получить ненаправленный микрофон, для этого мембрана с волноводами помещается в специальный цилиндр, закрывающий доступ звуковой волне к тыльной стороне мембраны (рис.15а). Общий размер микрофона получается 21,5 мм длиной и 6 мм диаметром. Записанная при этом частотная характеристика, (рис.15б) позволяет установить, что частотный диапазон микрофона составляет 0,5 Гц – 10 кГц при неравномерности +/-1,5 дБ.
Таким образом, представленные результаты показывают, что работы, проводимые на фирме Sennheiser совместно с другими фирмами и институтами по созданию оптического микрофона, уже достаточно близки к этапу создания образцов, пригодных для промышленного производства. Несомненно, появление такого микрофона будет значительным шагом в развитии микрофонной техники, и он найдет себе достаточно широкое применение.