HellasCams - Microphone

Μικρόφωνο

Η λέξη μικρόφωνο (microphone), είναι φυσικά ελληνική και χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά γύρω στο 1827, για να χαρακτηρίσει μια καθαρά ακουστική συσκευή (κάτι σαν το στηθοσκόπιο των γιατρών) που είχε τη δυνατότητα ενίσχυσης πολύ ασθενών ήχων. Τα σημερινά μικρόφωνα είναι μετατροπείς (transducers) της ακουστικής ενέργειας (ήχος) σε ισοδύναμη (αντίστοιχης κυματομορφής) ηλεκτρική (ηχοηλεκτρικό σήμα, Audio). Μια χρήσιμη αντιδιαστολή είναι ότι τα μικρόφωνα είναι το ακριβώς αντίστροφο των μεγαφώνων, στα οποία η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σε ακουστική.

Μέσω των μικροφώνων, ο ήχος μετασχηματίζεται σε κάτι πιο βολικό και επεξεργάσιμο, το ηλεκτρικό σήμα, γι' αυτό και είναι πολύ σημαντική και καθοριστική η συνεισφορά τους στην όλη αλυσίδα - ροή της κάθε ηχοληπτικής εφαρμογής. Θα μπορούσε να αναρωτηθεί κανείς ότι αφού χρειαζόμαστε ένα και μόνο ζευγάρι αφτιών, γιατί δεν είναι δυνατό να κατασκευαστεί ένα και μόνο μικρόφωνο, ικανό για όλες τις δουλειές. Πράγματι, από καθαρά τεχνολογική σκοπιά, έχουν κατασκευαστεί μικρόφωνα που πλησιάζουν αυτό που θα ονομάζαμε τέλεια μετατροπή, μόνο που είναι πανάκριβα. Η τεχνολογία, εξάλλου, δεν έχει όλες τις απαντήσεις και οι μετατροπές οποιασδήποτε μορφής είναι από τις πιο απαιτητικές διαδικασίες, με αναπόφευκτη συνέπεια τις αλλοιώσεις κάθε είδους. Έτσι οδηγούμαστε σε συμβιβαστικές λύσεις σε κάποιους τομείς, προσπαθώντας να πετύχουμε κάτι καλύτερο σε κάποιους άλλους. Άμεσο αποτέλεσμα είναι η εκμετάλλευση όλων των τεχνολογικών τομέων, άρα και η δημιουργία πολλών ειδών μικροφώνων, καθένα από τα οποία προσεγγίζει και από διαφορετική πλευρά το ζητούμενο της μετατροπής, έχοντας έτσι και τις δικές του ιδιαίτερες εφαρμογές. Πρακτικά, με τον τεράστιο αριθμό διαφορετικών ήχων και ηχοχρωμάτων που επιθυμούμε, αυτό είναι κάτι που πολλές φορές είναι επιθυμητό ή τουλάχιστον δεν είναι απαραίτητα και αρνητικό. Αρκεί, όμως να ξέρουμε και να καταλαβαίνουμε τον τρόπο με τον οποίο το κάθε μικρόφωνο επηρεάζει τον ήχο, ώστε να γνωρίζουμε πού και πώς να τα χρησιμοποιούμε κάθε φορά.

Από άποψη κατασκευής και λειτουργίας, σε κάθε μικρόφωνο θα διακρίνουμε τα εξής τρία μέρη:

(1). Η κάψα (capsule). Πρόκειται για το βασικό μηχανισμό της μετατροπής και τοποθετείται στο μπροστινό μέρος του μικροφώνου. Συνήθως είναι κάποια μορφή αναρτημένης μεμβράνης, ευαίσθητης στις ταλαντώσεις του ήχου, που είναι συνδεδεμένη με ένα μηχανισμό που μετατρέπει τις κινήσεις της σε ηλεκτρικό σήμα. Κατά βάση αυτή είναι το μικρόφωνο και όλα τα άλλα υπάρχουν, για να υποστηρίξουν τη λειτουργία της. Υπάρχουν μικρόφωνα με περισσότερες από μια κάψες, όπως θα δούμε στη συνέχεια.

(2). Τα ηλεκτρονικά και ηλεκτρομαγνητικά κυκλώματα. Πρόκειται για τα ενεργά ή παθητικά κυκλώματα μετασχηματισμού, τροφοδοσίας, ενίσχυσης κ.λ.π., που συνοδεύονται από τα καλώδια συνδέσεων, την παροχή σύνδεσης με το εξωτερικό καλώδιο και τις μηχανικές διατάξεις (αναρτήσεις απόσβεσης κραδασμών κ.λ.π.).

(3). Το κέλυφος ή το σώμα. Παρέχει το μέσο, στο οποίο τοποθετούνται, συνδέονται και προστατεύονται εσωτερικά όλα τα απαραίτητα εξαρτήματά του, αλλά και μέσω του οποίου το κρατάμε και το τοποθετούμε. Παίζει όμως και πολύ σημαντικό ρόλο στην ίδια την ηχητική συμπεριφορά του μικροφώνου. Πρώτον, αρνητικά, εμποδίζοντας τη διάδοση του ήχου προς το διάφραγμα και δημιουργώντας διάφορους συντονισμούς και δεύτερον, θετικά, αποτελώντας μέρος του ακουστικού κυκλώματος (με τους διάφορους πόρους που διαθέτει) που κατευθύνει, αλλά και καθορίζει το είδος της ακουστικής λειτουργίας του.

Δεν έχει βρεθεί ακόμα κάποιος άμεσος τρόπος μετατροπής των ταλαντώσεων του αέρα απευθείας σε ηλεκτρισμό. Έτσι, όλοι οι κατασκευαστές μικροφώνων καταφεύγουν στη χρήση μιας πολύ ελαφριάς και λεπτής επιφάνειας - μεμβράνης, που στηριζόμενη στα άκρα της, έχει τη δυνατότητα να κινείται μπρος πίσω δονούμενη υπό την επίδραση της ακουστικής ενέργειας, του ηχητικού κύματος που προσπίπτει σ΄ αυτή ονομάζεται και διάφραγμα (diaphragm) και είναι το βασικότερο στοιχείο της κάψας. Για να επιτευχθεί η πιο πιστή μετατροπή, πρέπει:

(1). Να φτάσει το διάφραγμα ένα πιστό αντίγραφο του ήχου.

(2). Το διάφραγμα να ταλαντωθεί με τα ίδια ακριβώς χαρακτηριστικά που έχει η κυματομορφή του προσπίπτοντος ήχου.

(3). Οι κινήσεις του διαφράγματος (μηχανική ενέργεια) να μεταφραστούν σ΄ένα ακριβές αντίγραφο μεταβολών τάσης ή ρεύματος (ηλεκτρική ενέργεια). Στη συνέχεια θα δούμε τους διαφόρους τύπους μικροφώνων, αναλόγως της αρχής λειτουργίας τους, εξετάζοντας πόσο κοντά φθάνει κανένας στο ιδανικό. Υπάρχουν πολλά κριτήρια διαχωρισμού των μικροφώνων και θα τα εξετάσουμε κατά ομάδες.

Οι ακουστικές αρχές λειτουργίας

Ο ήχος, η ακουστική ενέργεια (όπως και κάθε ταλάντωση) αποτελούνται από μεταβολές τόσο της πίεσης (pressure), όσο και της ταχύτητας (velocity) του αέρα. Καθώς τα μόρια του αέρα εκτελούν ταλάντωση γύρω από τη θέση ισορροπίας τους, μεταβάλλουν την πίεση στον παρακείμενο χώρο τους. Αφού όμως τα μόρια κινούνται, θα έχουν και ταχύτητα, η οποία λόγω της παλινδρομικότητας της κίνησης θα μεταβάλλεται συνεχώς. ΄Όταν η πίεση γίνεται μέγιστη, η ταχύτητα είναι μηδέν και το αντίθετο. Κάθε μικρόφωνο είναι ευαίσθητο σε ένα μόνο ή και στα δύο αυτά είδη των μεταβολών.

Δύο είναι κατά βάση οι περιπτώσεις:

(α) Μικρόφωνα Πίεσης (Pressure Transducers). To διάφραγμα είναι τεντωμένο στη εμπρόσθια άκρη ενός σφραγισμένου, κλειστού θαλάμου. Πρακτικά, υπάρχει μια πολύ μικρή οπή, που επιτρέπει τη δημιουργία των μεταβολών της πίεσης, χωρίς να προκαλείται φθορά, γιατί αλλιώς θα μιλούσαμε για βαρόμετρο. Έτσι έχουν εκτεθειμένο μόνο το εμπρόσθιο μέρος τους και το αποτέλεσμα που παράγεται, εξαρτάται αποκλειστικά και μόνο από την πίεση μπροστά από το μικρόφωνο. Αντίθετα από την ανθρώπινη ακοή που είναι επιλεκτική, τα μικρόφωνα αποκρίνονται σε κάθε ήχο, σε καθετί που θα τους μεταβάλλει την πίεση στο διάφραγμα. Ταυτόχρονα τα ηχητικά κύματα, λόγω της περίθλασης, απλώνονται σε όλο το χώρο και προσπερνούν τα φυσικά εμπόδια (ιδιαίτερα αν είναι μικρά). Έτσι ένα τέτοιο μικρόφωνο πιάνει όλους τους ήχους, ανεξάρτητα της διεύθυνσης από την οποία έρχονται. Στην πραγματικότητα, αυτό έχει σχέση και με τη συχνότητα (λόγω περίθλασης και κατευθυντικότητας), με συνέπεια να είναι περισσότερο επιλεκτικά όσο ανεβαίνει η συχνότητα, σε σχέση και με το μέγεθος του διαφράγματος.

(β) Μικρόφωνα Ταχύτητας ή Διαφορών Πίεσης (Pressure Gradient Transducers). Σ΄αυτά το διάφραγμα αιωρείται στον αέρα, στηριζόμενο στα άκρα του από ένα συμμετρικό περιμετρικό πλαίσιο. Έχει έτσι εκτεθειμένες και τις δύο πλευρές του στα ηχητικά κύματα. Αν το διάφραγμα ήταν πρακτικά χωρίς βάρος, τότε θα ακολουθούσε τέλεια τις μεταβολές της ταχύτητας των μορίων του αέρα. Προφανώς δεν είναι αβαρές, με συνέπεια να απαιτείται μια διαφορά πίεσης μεταξύ των αντίστοιχων μπροστινών και πίσω σημείων του διαφράγματος. Όταν λοιπόν η διεύθυνση του ήχου είναι ακριβώς κάθετη στο διάφραγμα (0° ή 180° ), η κίνηση αυτού, καθώς και η τάση στην έξοδό του είναι μέγιστες. Όσο όμως απομακρύνεται από τον κάθετο άξονα, τόσο μειώνεται, και στην ακραία περίπτωση που ο ήχος έρχεται τελείως από τα πλάγια (90° ή 270°), η κίνηση και η τάση μηδενίζονται. Δεν έχουμε καθόλου σήμα στην έξοδο. Αυτό, γιατί σε κάθε σημείο κατά μήκος του διαφράγματος θα φτάνουν κάθε στιγμή στη εμπρόσθια και την πίσω πλευρά του δύο εντελώς ίδια, αλλά αντίθετης φάσης, αντίγραφα του ήχου. Το άθροισμά τους μας δίνει μηδέν διαφορά πίεσης, άρα και κίνησης και τάσης. Έτσι, τα μικρόφωνα ταχύτητας ή διαφοράς πίεσης αποκρίνονται εξίσου καλά στους ήχους που έρχονται από μπροστά και από πίσω, αλλά καθόλου σε αυτούς που φτάνουν από τα πλάγια. Σε κάθε περίπτωση πάντως, ατυχώς τα μικρόφωνα ταχύτητας δεν μπορούν να ξεχωρίσουν αν οι διαφορές στην ταχύτητα οφείλονται στον ήχο ή τον άνεμο, με συνέπεια να είναι πιο ευαίσθητα στο θόρυβο του αέρα, από ότι τα πίεσης (πολυκατευθυντικά).