كيف يعمل الميكروفون وأنواع الميكروفونات
تُستخدم أجهزة صوتية كهربائية خاصة تسمى الميكروفونات لتحويل اهتزازات الصوت إلى تيار كهربائي. يرتبط اسم هذا الجهاز بمزيج من كلمتين يونانيتين ، تُترجم إلى "صغير" و "صوت".
الميكروفون عبارة عن محول للاهتزازات الصوتية في الهواء إلى اهتزازات كهربائية.
مبدأ تشغيل الميكروفون هو أن اهتزازات الصوت (في الواقع تقلبات ضغط الهواء) تؤثر على الغشاء الحساس للجهاز ، وتتسبب اهتزازات الغشاء بالفعل في توليد اهتزازات كهربائية ، حيث إنه الغشاء المتصل بالجزء للجهاز الذي يولد تيارًا كهربائيًا ، ويعتمد الجهاز على نوع الميكروفون المحدد.
بطريقة أو بأخرى ، تُستخدم الميكروفونات اليوم على نطاق واسع في مختلف مجالات العلوم والتكنولوجيا والفن ، وما إلى ذلك ، فهي تُستخدم في المعدات الصوتية ، والأدوات المحمولة ، والمستخدمة في الاتصالات الصوتية ، والتسجيل الصوتي ، والتشخيص الطبي ، وأبحاث الموجات فوق الصوتية.تعمل كأجهزة استشعار ، وفي العديد من المجالات الأخرى للنشاط البشري ، لا يمكن للمرء ببساطة الاستغناء عن الميكروفون بشكل أو بآخر.
للميكروفونات تصميمات مختلفة ، لأنه في أنواع مختلفة من الميكروفونات ، تكون الظواهر الفيزيائية المختلفة مسؤولة عن توليد التذبذبات الكهربائية ، وأهمها: المقاومة الكهربائية, الحث الكهرومغناطيسي, تغيير في القدرة و تأثير كهرضغطية... اليوم ، وفقًا لمبدأ الجهاز ، يمكن تمييز ثلاثة أنواع رئيسية من الميكروفونات: ديناميكي ومكثف وكهربائي انضغاطي. ومع ذلك ، تتوفر أيضًا الميكروفونات الكربونية في بعض الأماكن حتى الآن ، وسنبدأ مراجعتنا معهم.
ميكروفون الكربون
في عام 1856 عالم فرنسي دو مونسيل نشر بحثه ، الذي أظهر أنه حتى مع حدوث تغيير طفيف في منطقة التلامس لأقطاب الجرافيت ، فإن مقاومتها لتدفق التيار الكهربائي تتغير بشكل كبير.
بعد عشرين عاما ، مخترع أمريكي اميل برلينر صنع أول ميكروفون كربوني في العالم بناءً على هذا التأثير. حدث هذا في 4 مارس 1877.
كان تشغيل ميكروفون Berliner يعتمد بدقة على خاصية ملامسة قضبان الكربون لتغيير مقاومة الدائرة بسبب التغيير في منطقة التلامس الموصلة.
بالفعل في مايو 1878 ، تم تطوير الاختراع ديفيد هيوز، الذي قام بتركيب قضيب من الجرافيت بنهايات مدببة وغشاء مثبت عليه بين زوج من أكواب الكربون.
عندما يهتز الغشاء من تأثير الصوت عليه ، تتغير أيضًا منطقة التلامس بين القضيب والأكواب ، وكذلك مقاومة الدائرة الكهربائية التي يتصل بها القضيب. نتيجة لذلك ، تغير التيار في الدائرة بعد اهتزازات الصوت.
توماس الفا اديسون ذهب أبعد من ذلك - استبدل العصا بغبار الفحم. مؤلف أشهر تصميم لميكروفون الكربون هو أنتوني وايت (1890). لا يزال من الممكن العثور على هذه الميكروفونات في سماعات الهواتف التناظرية القديمة.
تم تصميم ميكروفون الكربون ويعمل على النحو التالي. يقع مسحوق الكربون (الحبيبات) داخل كبسولة محكمة الغلق بين لوحين معدنيين. إحدى الصفائح الموجودة على جانب واحد من الكبسولة متصلة بالغشاء.
عندما يؤثر الصوت على الغشاء ، فإنه يهتز ، وينقل الاهتزازات إلى غبار الكربون. تهتز جزيئات الغبار ، وتغير منطقة التلامس مع بعضها من وقت لآخر. وبالتالي ، فإن المقاومة الكهربائية للميكروفون تتقلب أيضًا ، مما يؤدي إلى تغيير التيار في الدائرة التي يتصل بها.
تم توصيل الميكروفونات الأولى في سلسلة ببطارية كلفانية كمصدر للجهد.
عند توصيل مثل هذا الميكروفون بالملف الأساسي للمحول ، فمن الممكن التخلص من الصوت الذي يتأرجح في الوقت المناسب مع تأثير الصوت على الغشاء من اللف الثانوي الخاص به الجهد االكهربى... يتمتع ميكروفون الكربون بحساسية عالية ، مما يجعل من الممكن في بعض الحالات استخدامه حتى بدون مكبر للصوت. على الرغم من أن ميكروفون الكربون له عيب كبير - وجود تشوهات وضوضاء غير خطية كبيرة.
مكثف ميكروفون
الميكروفون المكثف (الذي يقوم على مبدأ تغيير السعة الكهربائية تحت تأثير الصوت) اخترعه مهندس أمريكي إدوارد وينتي في عام 1916كانت قدرة المكثف على تغيير السعة اعتمادًا على التغير في المسافة بين صفائحه معروفة جيدًا ودُرست في ذلك الوقت.
لذلك ، تعمل إحدى لوحات المكثف هنا كغشاء متحرك رقيق حساس للصوت. تبين أن الغشاء خفيف وحساس بسبب نحافته ، حيث يتم استخدام البلاستيك الرقيق مع أنحف طبقة من الذهب أو النيكل في إنتاجه. وفقًا لذلك ، يجب أن تكون لوحة المكثف الثانية ثابتة.
عندما يعمل ضغط الصوت المتناوب على صفيحة رقيقة ، فإنه يتسبب في اهتزازها - أو التحرك باتجاه لوحة المكثف الثانية ، ثم بعيدًا عنها. في هذه الحالة ، تختلف السعة الكهربائية لهذا النوع من المكثفات المتغيرة وتتغير. نتيجة لذلك ، في الدائرة الكهربائية التي يتم تضمين هذا المكثف فيها ، كهرباء تذبذب يكرر شكل الموجة الصوتية التي تسقط على الغشاء.
يتم إنشاء المجال الكهربائي العامل بين الألواح إما عن طريق مصدر جهد خارجي (على سبيل المثال بطارية) أو عن طريق تطبيق مادة مستقطبة في البداية كطلاء لإحدى اللوحات (الميكروفون الكهربائي هو نوع من الميكروفونات المكثفة).
يجب استخدام المضخم الأولي هنا ، نظرًا لأن الإشارة ضعيفة جدًا ، نظرًا لأن التغيير في السعة من الصوت أصبح صغيرًا للغاية ، فإن الغشاء يهتز بشكل غير محسوس. عندما تزيد دائرة المضخم من سعة الإشارة الصوتية ، يتم توجيه الإشارة المضخمة بالفعل لمكبر الصوت... ومن هنا جاءت الميزة الأولى للميكروفونات المكثفة - فهي حساسة للغاية حتى عند الترددات العالية جدًا.
ميكروفون ديناميكي
ولادة ميكروفون ديناميكي هو الفضل في تقدير العلماء الألمان جيرفين إرلاتش و والتر شوتكي... في عام 1924 قدموا نوعًا جديدًا من الميكروفونات ، الميكروفون الديناميكي ، والذي تفوق كثيرًا على سلفه الكربوني من حيث الخطية واستجابة التردد ، وتجاوز نظيره المكثف في المعلمات الكهربائية الأصلية. وضعوا شريطًا مموجًا من رقائق ألمنيوم رفيعة جدًا (بسماكة 2 ميكرون) في مجال مغناطيسي.
في عام 1931 ، تم تحسين النموذج من قبل المخترعين الأمريكيين. توريس و فينتي... لقد قدموا ميكروفونًا ديناميكيًا مع مغو... لا يزال يعتبر هذا الحل الأفضل لاستوديوهات التسجيل.
يعتمد الميكروفون الديناميكي على ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي… الغشاء متصل بسلك نحاسي رفيع ملفوف حول أنبوب بلاستيكي خفيف في مجال مغناطيسي دائم.
تعمل الاهتزازات الصوتية على الغشاء ، ويهتز الغشاء ، ويكرر شكل الموجة الصوتية ، بينما ينقل حركاته إلى السلك ، ويتحرك السلك في مجال مغناطيسي و (وفقًا لقانون الحث الكهرومغناطيسي) يتم إحداث تيار كهربائي في السلك ، مكررًا شكل الصوت ، يسقط على الغشاء.
نظرًا لأن السلك الذي يحتوي على دعامة بلاستيكية هو بناء خفيف إلى حد ما ، فقد اتضح أنه متحرك للغاية وحساس للغاية ، والجهد المتناوب الناتج عن الحث الكهرومغناطيسي مهم.
تنقسم الميكروفونات الكهروديناميكية إلى ميكروفونات ملفية (مجهزة بغشاء في الفجوة الحلقية للمغناطيس) ، وميكروفونات شريطية (حيث تستخدم رقائق الألومنيوم المموجة كمواد ملف) ، ومتساوي الديناميكي ، إلخ.
يعد الميكروفون الديناميكي الكلاسيكي موثوقًا به ، وله نطاق واسع من حساسية الاتساع في نطاق تردد الصوت ، وهو غير مكلف في التصنيع. ومع ذلك ، فهي ليست حساسة بدرجة كافية عند الترددات العالية وتتفاعل بشكل سيئ مع التغيرات المفاجئة في ضغط الصوت - فهذان من عيوبها الرئيسية.
يختلف الميكروفون الشريطي الديناميكي في أن المجال المغناطيسي يتم إنشاؤه بواسطة مغناطيس دائم بقطع قطب ، يوجد بينها شريط رفيع من الألومنيوم ، والذي يعد بديلاً عن الأسلاك النحاسية.
يحتوي الشريط على موصلية كهربائية عالية ، لكن الجهد المستحث صغير ، لذا يجب إضافته إلى الدائرة خطوة متابعة المحولات… تتم إزالة إشارة مسموعة مفيدة في مثل هذه الدائرة بواسطة الملف الثانوي للمحول.
يعرض الميكروفون الشريطي الديناميكي نطاق تردد موحد للغاية على عكس الميكروفون الديناميكي التقليدي.
كمواد مغناطيسية دائمة ، تستخدم الميكروفونات سبائك مغناطيسية صلبة ذات قدرة حث عالية (مثل NdFeB). يتكون الجسم والحلقة من سبائك مغناطيسية ناعمة (مثل الفولاذ الكهربائي أو الثابت).
ميكروفون كهرضغطية
تحدث العالمان الروس Rzhevkin و Yakovlev في عام 1925 بكلمة جديدة في تكنولوجيا الصوت. واقترحوا طريقة جديدة بشكل أساسي لتحويل الصوت إلى اهتزازات حالية - ميكروفون يعمل بالكهرباء الانضغاطية. يتعرض تأثير ضغط الصوت ل بلورة كهرضغطية.
يعمل الصوت على غشاء متصل بقضيب ، والذي بدوره متصل بجهاز كهرضغطية. تتشوه بلورة بيزو تحت تأثير اهتزازات القضيب ، ويظهر جهد عند أطرافه ، مكررًا شكل الصوت الساقط. يستخدم هذا الجهد كإشارة مفيدة.