Kompletny przewodnik po elektretowych mikrofonach pojemnościowych

Jeżeli chodzi o technologie audio, elektretowe mikrofony pojemnościowe (ECM) stanowią klasyczne i odporne rozwiązanie do przechwytywania dźwięku, zapewniające niezawodność i możliwości adaptacji w szerokim spektrum zastosowań. Wprawdzie mikrofony mikroelektromechaniczne (MEMS) zdobywają popularność dzięki konstrukcji ułatwiającej integrację i niewielkiej zajmowanej powierzchni, jednak elektretowe mikrofony pojemnościowe (ECM) nie tracą na znaczeniu w projektach elektronicznych dzięki zróżnicowanym konfiguracjom mocowania, szerokiej gamie charakterystyk kierunkowych oraz uniwersalności akustycznej.

W tym artykule omówiono zasadę działania elektretowych mikrofonów pojemnościowych, ich wewnętrzne obwody, a także odpowiedź kierunkową - od charakterystyki dookólnej przechwytującej szeroki plan dźwięków z otoczenia, aż do konfiguracji jednokierunkowych umożliwiających wyizolowanie dźwięku. Analizowane są również krytyczne parametry działania, takie jak czułość, stosunek sygnału do szumu (SNR) oraz odpowiedź częstotliwościowa, aby ułatwić prawidłowy dobór komponentów.

Podstawy elektretowych mikrofonów pojemnościowych

Elektretowe mikrofony pojemnościowe (ECM), znane również jako mikrofony pojemnościowe wykorzystują materiał ferroelektryczny zwany elektretem, który jest permanentnie naładowany elektrycznie lub spolaryzowany. Wysoka rezystancja elektryczna i stabilność chemiczna elektretu zapewniają, że wewnętrzny ładunek pozostaje nienaruszony przez setki lat, nie wykazując znacznego osłabienia. Termin „elektret” pochodzi z połączenia pojęć „elektrostatyczny” i „magnetyczny”, co odzwierciedla proces w którym ładunek elektrostatyczny jest umieszczany w materiale. Jest to uzyskiwane poprzez wyrównanie ładunków elektrostatycznych w sposób analogiczny do domen magnetycznych, które są wyrównywane w celu stworzenia magnesu.

Ta naturalna właściwość oferuje znaczne korzyści dla konstrukcji mikrofonu. W przeciwieństwie do tradycyjnych mikrofonów pojemnościowych, które do działania wymagają zewnętrznego napięcia polaryzacji, wewnętrzny ładunek elektrostatyczny elektretu eliminuje tę potrzebę. Cecha ta upraszcza projektowanie obwodów i pozwala mikrofonom ECM na sprawne działanie w zastosowaniach niskiej mocy i kompaktowych, przez co są one atrakcyjnym wyborem w różnorodnych systemach audio.

Zasada działania elektretowego mikrofonu pojemnościowego polega na wykorzystaniu membrany w charakterze jednej z okładzin kondensatora i płytki tylnej jako drugiej okładziny. Gdy fale dźwiękowe powodują drgania membrany, odległość między membraną i płytką tylną zmienia się, skutkując zmianami pojemności. Zmiany te opisuje równanie pojemności:

C = Q / V

Gdzie:

• Q = ładunek w kulombach (pozostaje stały ze względu na ładunek uwięziony w elektrecie)
• C = pojemność w faradach
• V = różnica potencjału w woltach

Ponieważ pojemność (C) zmienia się ze względu na ruch membrany, istnieje odwrotnie proporcjonalna zmienność napięcia (V) na kondensatorze, co generuje sygnał elektryczny odpowiadający drganiom akustycznym.

Zmieniające się napięcie jest dostarczane następnie do tranzystora polowego (FET) wewnątrz mikrofonu, który wzmacnia sygnał i zapewnia lepsze przenoszenie. Kondensator blokujący prąd stały w stopniu wyjściowym eliminuje niepożądane niezrównoważenie prądu stałego, zapewniając czysty wyjściowy sygnał audio. Dzięki tej prostej, a jednocześnie skutecznej konstrukcji, elektretowe mikrofony pojemnościowe są niezawodnym wyborem do przechwytywania dźwięku w różnorodnych zastosowaniach elektronicznych.

Ilustracja 1: zasada działania elektretowego mikrofonu pojemnościowego (ECM) (źródło ilustracji: Same Sky)

Typowa konstrukcja elektretowego mikrofonu pojemnościowego zawiera kilka kluczowych komponentów:

• Nietkany materiał tekstylny: chroni przed kurzem, a jednocześnie przepuszcza dźwięk
• Korpus: obejmuje i chroni elementy wewnętrzne
• Pierścień biegunowy: podpiera materiał elektretowy nałożony na membranę
• Membrana: drga w odpowiedzi na dźwięk, zmieniając pojemność
• Element dystansowy: utrzymuje odległość między membraną i płytką tylną
• Płytka tylna: tworzy nieruchomą elektrodę kondensatora
• Podstawa: zapewnia podparcie konstrukcyjne
• Pierścień miedziany: zapewnia przewodzenie i połączenia elektryczne
• Płytka drukowana: zawiera tranzystor polowy (FET) i inne obwody wzmacniania sygnału

Rozmontowaną i zmontowaną strukturę elektretowego mikrofonu pojemnościowego (ECM) ukazują poniższe ilustracje.

Ilustracja 2: widok rozstrzelony elektretowego mikrofonu pojemnościowego (źródło ilustracji: Same Sky)

Ilustracja 3: widok zmontowany elektretowego mikrofonu pojemnościowego (źródło ilustracji: Same Sky)

Charakterystyki biegunowe lub kierunkowość elektretowego mikrofonu pojemnościowego (ECM)

Elektretowe mikrofony pojemnościowe są dostępne w różnych wersjach charakterystyk biegunowych lub kierunkowych, które definiują sposób przechwytywania dźwięków z różnych kierunków. Kierunkowość jest krytyczną specyfikacją i należy ją dobierać w oparciu o zastosowanie i wymagania dotyczące użycia. Najczęściej spotykanymi charakterystykami kierunkowymi elektretowych mikrofonów pojemnościowych są: dookólna (ilustracja 4), jednokierunkowa (ilustracja 5) oraz redukująca hałas (ilustracja 6).

Ilustracja 4: dookólna charakterystyka biegunowa (źródło ilustracji: Same Sky)

Mikrofony dookólne przechwytują dźwięk ze wszystkich kierunków, dlatego idealnie sprawdzają się w takich zastosowaniach, jak rejestrowanie grup wokalnych lub prowadzenie połączeń konferencyjnych. Charakterystyka zbierająca zwykle jest przedstawiana w postaci diagramu, gdzie 0° oznacza przód mikrofonu, a natężenie dźwięku jest wykreślane promieniowo w zakresie od 0° do 360°. Pomimo uniwersalności mikrofony te mają wadę: nie są w stanie odróżnić pożądanych dźwięków od hałasu z otoczenia, często zbierając i wzmacniając dźwięki występujące w środowisku.

Ilustracja 5: jednokierunkowa charakterystyka biegunowa (źródło ilustracji: Same Sky)

Mikrofony jednokierunkowe są zaprojektowane do przechwytywania dźwięku głównie z jednego kierunku, redukując niepożądany hałas tła, na przykład rozmowy, klikanie klawiatury lub szeleszczenie papieru. Dzięki temu idealnie sprawdzają się w zastosowaniach wokalnych, gdzie wyizolowanie żądanego źródła dźwięku ma znaczenie krytyczne. Najczęstsza charakterystyka jednokierunkowa, ukazana na ilustracji 5, posiada szeroki obszar zbierania i maksymalne tłumienie tłumienie na osi 180°.

Ilustracja 6: charakterystyka biegunowa redukująca hałas (źródło ilustracji: Same Sky)

Mikrofony redukujące hałas, czyli mikrofony dwukierunkowe, zostały zaprojektowane tak, by odfiltrować hałas z otoczenia, skupiając się jednocześnie na pożądanym źródle dźwięku, dzięki czemu idealnie sprawdzają się w hałaśliwych środowiskach. Mikrofony te posiadają co najmniej dwa porty akustyczne: jeden skierowany w stroną pożądanego dźwięku i drugi w stronę odleglejszego hałasu. Bliższe dźwięki generują wyższy gradient ciśnienia na membranie, co skutkuje lepszym przechwytywaniem pożądanego audio. Efekt bliskości jest regulowany tak, by zapewnić płaską odpowiedź częstotliwościową dla dźwięków w pobliżu portu przedniego, natomiast dźwięki dochodzące pod innymi kątami charakteryzują się znacznym spadkiem wzmocnienia tonów średnich i niskich. Powszechne zastosowania obejmują centra telefoniczne, zestawy nagłowne w helikopterach oraz systemy komunikacji kierowców rajdowych.

Kluczowe specyfikacje elektretowych mikrofonów pojemnościowych

Oprócz kierunkowości, elektretowe mikrofony pojemnościowe charakteryzują się kilkoma parametrami, które należy uwzględnić podczas doboru komponentów:

• Redukcja czułości: utrata wzmocnienia wraz ze spadkiem napięcia zasilania mikrofonu.
• Czułość: miara zdolności mikrofonu do detekcji dźwięku. Wysoka czułość pozwala wychwytywać cichsze lub bardziej odległe dźwięki przy mniejszym wzmocnieniu, co redukuje szumy. Właściwość ta pomaga określić adekwatność do takich zastosowań, jak rejestracja muzyki lub użycie w hałaśliwym środowisku.
• Stosunek sygnału do szumu (SNR): oznacza stosunek pożądanego dźwięku (np. mowy lub muzyki) do hałasu tła przechwytywanego przez mikrofon, informując o ogólnej klarowności dźwięku.
• Rodzaje mocowania: wtyki do płytek drukowanych, odprowadzenia przewodowe ze złączami lub bez, a także zaciski są najczęstszymi konfiguracjami mocowania elektretowych mikrofonów pojemnościowych. Konfiguracje zacisków można dalej dzielić na przeznaczone do montażu powierzchniowego z użyciem lutowania rozpływowego lub do lutowania ręcznego z użyciem pól lutowniczych.

Podsumowanie

Elektretowe mikrofony pojemnościowe pozostają niezastąpione w nowoczesnych technologiach audio, oferując precyzyjne przechwytywanie dźwięku i uniwersalne charakterystyki kierunkowe. Dzięki niezawodności i możliwościom adaptacji, są one nieodzowne w różnorodnych zastosowaniach, a zrozumienie ich działania i kluczowych specyfikacji pomaga użytkownikom dobrać właściwy mikrofon do konkretnych potrzeb. Poznaj pełną gamę mikrofonów i usług projektowania audio firmy Same Sky, oferującej indywidualnie dopasowane rozwiązania.