Μικρόφωνα είναι συσκευές που μετατρέπουν τα ηχητικά κύματα σε ηλεκτρικά σήματα. Με άλλα λόγια μετατρέπουν τις μεταβολές της ηχητικής πίεσης που ασκείται στην επιφάνεια τους σε ηλεκτρικό σήμα ανάλογο των μεταβολών αυτών. Χρησιμοποιούνται ευρέως στα στούντιο καταγραφής φωνής, στους ραδιοτηλεοπτικούς σταθμούς, στην κινητή και σταθερή τηλεφωνία.

Έγινε αντιληπτό ότι η ποιότητα του αναπαραγόμενου ήχου έχει άμεση σχέση με την ποιότητα του μικροφώνου που χρησιμοποιείται στην ηχογράφηση. Η έρευνα που αναπτύχτηκε στην κατασκευή του μικροφώνου, οδήγησε στην ανάπτυξη μικροφώνων υψηλής ποιότητας και αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να κυκλοφορούν σήμερα στην αγορά μικρόφωνα σε ευρέα περιοχή τιμών ανάλογα την ποιότητα του μικροφώνου.

Ανάλογα με τον τρόπο μετατροπής της ηχητικής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια διακρίνουμε τα μικρόφωνα σε α)Μικρόφωνα άνθρακα β)Μικρόφωνα κρυσταλλικά γ)Μικρόφωνα πυκνωτή δ)Μικρόφωνα δυναμικά ε)Μικρόφωνα επαφής.

Μικρόφωνα πυκνωτή

Το μικρόφωνο πυκνωτή στηρίζει τη λειτουργία του στη μεταβολή της χωρητικότητας ενός πυκνωτή καθώς προσπίπτουν τα ηχητικά κύματα σ’αυτόν. Πιο αναλυτικά: Καθώς τα ηχητικά κύματα φθάνουν στο μικρόφωνο κτυπούν στον μπροστινό οπλισμό του πυκνωτή που υπάρχει στο εσωτερικό του. Αποτέλεσμα να πάλλεται ο οπλισμός του πυκνωτή με συνέπεια να μεταβάλλεται η απόσταση των οπλισμών του πυκνωτή.

Επειδή η χωρητικότητα είναι αντιστρόφως ανάλογη με την απόσταση των οπλισμών του πυκνωτή, η πρόσκρουση του ήχου σε ένα μικρόφωνο πυκνωτού έχει σαν συνέπεια την μεταβολή της χωρητικότητας του πυκνωτή που βρίσκεται στο εσωτερικό του αναλογικά με το ηχητικό κύμα που φτάνει σ’ αυτόν.

Η χωρητικότητα του πυκνωτή είναι πολύ μικρή, περίπου 30-40pF ενώ μικρή είναι και η μεταβολή της χωρητικότητας και όχι μεγαλύτερη από 10%, δηλαδή 3-4pF. Σε αυτό το γεγονός οφείλεται και το ασθενές σήμα στην έξοδο του πυκνωτή. Γι’ αυτό μέσα στο μικρόφωνο αυτού του τύπου υπάρχει ένα τρανζίστορ FET το οποίο έχει μεγάλη αντίσταση εισόδου για την ενίσχυση του σήματος του πυκνωτή.

Η μεταβολή της χωρητικότητας του πυκνωτή δημιουργεί συνεχώς ένα ρεύμα φόρτισης – εκφόρτισης, αφού η μεταβολή της απόστασης των πλακών μεταβάλει συνεχώς το φορτίο που μπορεί να αποθηκεύσει ο πυκνωτής στους οπλισμούς του όπως φαίνεται από τη σχέση: Q=CU

Πλεονεκτήματα του μικροφώνου πυκνωτή είναι η καλή πιστότητα, η καλή απόκριση συχνοτήτων, ενώ μειονεκτήματα μικρό σήμα εξόδου, μεγάλη σύνθετη αντίσταση, ανάγκη παροχής τάσης τροφοδοσίας για τον εσωτερικό ενισχυτή.

Μειονεκτήματα του μικροφώνου πυκνωτή είναι η χαμηλή ευαισθησία, μικρό σήμα εξόδου, η μεγάλη σύνθετη αντίσταση και η ανάγκη μεγάλης τροφοδοσίας.

Κρυσταλλικά μικρόφωνα

Η λειτουργία των κρυσταλλικών μικροφώνων στηρίζεται στο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο. Το μικρόφωνο αυτού του τύπου αποτελείται από ένα πλακίδιο πιεζοηλεκτρικού κρυστάλλου του οποίου οι δυο επιφάνειες είναι επιμεταλλωμένες ή εφάπτονται με δυο λεπτά μεταλλικά φύλλα κασσιτέρου για να αυξάνεται η ευαισθησία του μικροφώνου. Το σύστημα βρίσκεται σε θήκη που περιέχει μεμβράνη η οποία πάλλεται με τα προσπίπτον ηχητικά κύματα και συνδέεται με την επιμεταλλωμένη πλευρά του κρυστάλλου.

Για να αυξηθεί η ευαισθησία και ο βαθμός απόδοσης του κρυσταλλικού μικροφώνου, αυτό κατασκευάζεται με δυο πλακίδια κρυστάλλου ανάμεσα στα οποία παρεμβάλλεται λεπτό φύλλο κασσιτέρου.

Το σύστημα αυτό τοποθετείται μέσα σε θήκη με διάτρητη τη μια πλευρά στην οποία ο κρύσταλλος δέχεται κατ’ ευθείαν την ηχητική πίεση ή είναι τοποθετημένο πάνω σε μεταλλική μεμβράνη η οποία έχει τη δυνατότητα να πάλλεται και ο κρύσταλλος δέχεται την πίεση που ασκεί η μεταλλική πλάκα.

Πλεονεκτήματα αυτού του τύπου μικροφώνου είναι η καλή απόκριση συχνότητας, η υψηλή τάση εξόδου ενώ μειονεκτήματα είναι η μικρή ευαισθησία και η ευαισθησία τους στις μεταβολές της θερμοκρασίας και της υγρασίας.

Μειονεκτήματα αυτού του τύπου μικροφώνου είναι η μικρή ευαισθησία και είναι ευαίσθητα στις μεταβολές, της υγρασίας και τις μηχανικές καταπονήσεις και γι’ αυτό το λόγο δεν προσφέρονται για χρήση σε εξωτερικούς χώρους.

Μικρόφωνα άνθρακα

Η λειτουργία τους είναι απλή και στηρίζεται στη μεταβολή της αντίστασης που παρουσιάζει μια ποσότητα κόκκων άνθρακα, όταν μεταβάλλεται η πίεση που ασκείται σ’ αυτούς.

Τα μικρόφωνα άνθρακα αποτελούνται από ένα θάλαμο γεμάτο κόκκους άνθρακα, που η μια πλευρά καλύπτεται από μια μεμβράνη στην οποία είναι προσαρμοσμένο ένα ηλεκτρόδιο προς το εσωτερικό μέρος των κόκκων. Ένα δεύτερο ηλεκτρόδιο είναι στερεωμένο στην απέναντι πλευρά του θαλάμου.

Το σύστημα συνδέεται με ένα μετασχηματιστή δια μέσου μιας πηγής τάσης στο οποίο διαρρέεται από μικρό συνεχές ρεύμα. Όταν φτάνουν ηχητικά κύματα στη μεμβράνη, αυτή πάλλεται ασκώντας πιέσεις στους κόκκους άνθρακα, με αποτέλεσμα να μεταβάλεται η αντίσταση στο υλικό του άνθρακα. Με αυτόν τον τρόπο το ρεύμα του κυκλώματος να μεταβάλλεται με αποτέλεσμα την εμφάνισης επαγωγικής τάσης στο δευτερεύον του μετασχηματιστή. Το ηλεκτρικό σήμα από το δευτερεύον ενισχύεται και χρησιμοποιείται κατάλληλα.

Η αντίσταση του άνθρακα είναι μικρή, κυμαίνεται από 50 έως 200Ω και μπορεί να μεταβάλλεται λόγω των ηχητικών πιέσεων έως και 50%.

Πλεονεκτήματα του μικροφώνου άνθρακα είναι η καλή ευαισθησία, το μεγάλο ηλεκτρικό σήμα στην έξοδο και το χαμηλό κόστος. Μειονεκτήματα τους είναι η μεγάλη παραμόρφωση, η ανάγκη συνεχούς πηγής τροφοδοσίας και η κακή απόκριση συχνότητας, συγκεκριμένα έχουν ικανοποιητική απόδοση για ένα εύρος συχνοτήτων από 100Hz έως 5500Hz.

Μειονεκτήματα του μικροφώνου άνθρακα είναι η μεγάλη παραμόρφωση, η ανάγκη συνεχούς πηγής τροφοδοσίας, η κακή απόκριση συχνότητας, έχουν ικανοποιητική απόκριση συχνοτήτων από 300 έως 3400Ηz κάτι που καθιστά τα μικρόφωνα αυτού του τύπου ακατάλληλα για αναπαραγωγή υψηλής πιστότητας.

Επειδή στην τηλεφωνία το εύρος συχνοτήτων των ακουστικών σημάτων είναι που χρησιμοποιούνται είναι στενό, συγκεκριμένα από 100Hz έως 3400Ηz, τα μικρόφωνα άνθρακα χρησιμοποιούνται αποκλειστικά στις συσκευές τηλεφώνων.

Δυναμικά μικρόφωνα

Το μικρόφωνο αυτό αποτελείται από ένα πηνίο στερεωμένο πάνω σε μια εύκαμπτη μεμβράνη. Το πηνίο τοποθετείται μέσα σε ισχυρό μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από ένα μόνιμο μαγνήτη και στο οποίο μπορεί να κινείται ελεύθερα. Καθώς τα ηχητικά κύματα κτυπούν την μεμβράνη, αυτή μαζί με το πηνίο ταλαντώνονται και καθώς το πηνίο βρίσκεται μέσα στο μαγνητικό πεδίο, μεταβάλλεται η μαγνητική ροή μέσα απ’ αυτό, με αποτέλεσμα να εμφανίζεται επαγωγική τάση στα άκρα του πηνίου ανάλογη με το ηχητικό κύμα που προκαλεί τις ταλαντώσεις.

Πλεονεκτήματα αυτού του τύπου μικροφώνου, είναι ότι δεν απαιτούν πηγή τροφοδοσίας και δεν επιρεάζονται από εξωτερικές συνθήκες.

Μειονεκτήματα αυτού του τύπου μικροφώνου είναι η χαμηλή σύνθετη αντίσταση 50-200Ω, το πηνίο λόγω του τρόπου στίρηξης του δεν μπορεί να ταλαντωθεί σε υψηλές συχνότητες. Η καμπύλη απόκρισης είναι καλή από 50 – 10000Hz. Τα δυναμικά μικρόφωνα επηρεάζονται από ισχυρά πεδία που μπορεί να δημιουργούνται από μετασχηματιστές ισχύος ή ηλεκτρομαγνήτες.

Μικρόφωνα επαφής

Αυτά διαφέρουν από τα προηγούμενα γιατί μετατρέπουν τις δονήσεις ενός μέσου, όχι του αέρα, σε ηλεκτρικές μεταβολές. Πρέπει να εφάπτονται στο δονούμενο σώμα, γι’ αυτό και ονομάστηκαν μικρόφωνα επαφής.

Χρησιμοποιούνται σε περιπτώσεις που θέλουμε το ηλεκτρικό σήμα που θα έχουμε στην έξοδο του μικροφώνου να είναι απαλλαγμένο τελείως από τους θορύβους του περιβάλλοντος.

Αυτού του τύπου μικρόφωνα χρησιμοποιούνται στα μουσικά όργανα ή στα ιατρικά μηχανήματα. Είναι ιδανικά για τα μουσικά όργανα ειδικά όταν μας ενδιαφέρει ανεξάρτητη καταγραφή ήχου από κάθε μια πηγή ή ομάδα οργάνων.

Πλεονεκτήματα των μικροφώνων επαφής είναι η καλή ευαισθησία και ο μικρός όγκος.

Ασύρματα μικρόφωνα

Στα ασύρματα μικρόφωνα ή μετάδοση του σήματος γίνεται ασύρματα. Το ίδιο το μικρόφωνο περιέχει μικροπομπό για την μετάδοση του σήματος με την χρήση ραδιοκυμάτων. Λίγο πιο πέρα βρίσκεται ο δέκτης για τη λήψη αυτών των ραδιοκυμάτων. Τα ασύρματα μικρόφωνα δεν διαφέρουν από τα ενσύρματα μικρόφωνα στον τρόπο μετατροπής της ηχητικής ενέργειας σε ηλεκτρική, αλλά η διαφορά τους έγκειται στον τρόπο μετάδοσης του σήματος στην βαθμίδα ενίσχυσης.

Χαρακτηριστικά μεγέθη των μικροφώνων

Για να επιλέξουμε ένα τύπο μικροφώνου που να είναι βέλτιστα κατάλληλο για την εφαρμογή μας, πρέπει να γνωρίζουμε τα χαρακτηριστικά μεγέθη των μικροφώνων, όπως ορίζονται παρακάτω:

Ευαισθησία είναι η ικανότητα του μικροφώνου να μετατρέπει μικρές ηχητικές πιέσεις που ασκούνται στην επιφάνεια του σε μεταβολές τάσης με ικανοποιητικό πλάτος. Όσο μεγαλύτερο είναι το πλάτος της ηλεκτρικής τάσης που εμφανίζεται στην έξοδο του μικροφώνου, για συγκεκριμένη ηχητική διακύμανση τόσο πιο ευαίσθητο είναι το μικρόφωνο.

Απόκριση συχνοτήτων είναι το μέγεθος εκείνο που δείχνει την ομοιομορφία της ευαισθησίας του μικροφώνου για ολόκληρη την περιοχή ακουστικών συχνοτήτων από 16Ηz έως 20000Hz. Η καμπύλη μεταβολής της ευαισθησίας προς τη μεταβολή της συχνότητας, είναι γνωστή σαν καμπύλη απόκρισης της συχνότητας. Όσο πιο ευθύγραμμη είναι η καμπύλη απόκρισης σε μεγαλύτερο εύρος συχνοτήτων, τόσο καλλίτερη είναι η απόκριση συχνότητας για το μικρόφωνο.

Πιστότητα είναι η ικανότητα του μικροφώνου να μετατρέπει τις μεταβολές της ηχητικής πίεσης σε μεταβολές τάσης, χωρίς αυτή η μετατροπή να επιφέρει μεταμορφώσεις. Όσο μικρότερη είναι η παραμόρφωση τόσο μεγαλύτερη είναι η πιστότητα του μικροφώνου.

Σύνθετη αντίσταση είναι η αντίσταση που παρουσιάζει ένα μικρόφωνο, που μπορεί να κυμαίνεται από 50Ω έως 50kΩ ανάλογα το μικρόφωνο. Η γνώση της σύνθετης αντίστασης του μικροφώνου είναι απαραίτητη για την καλή προσαρμογή του μικροφώνου και του ενισχυτή στον οποίο θα οδηγήσουμε το σήμα που θα μας δώσει το μικρόφωνο.

Πολική απόκριση με αυτό το μέγεθος περιγράφουμε την ευαισθησία του μικροφώνου σε ήχους που προέρχονται από πηγές που βρίσκονται όχι στον άξονα του μικροφώνου αλλά σχηματίζει γωνία μ’ αυτόν. Διακρίνουμε τα μικρόφωνα με βάση την πολική τους απόκριση στις εξής κατηγορίες:

Α] Τα παντοκατευθυντικά που έχουν την ίδια ευαισθησία ανεξάρτητα από την γωνία που σχηματίζει η πηγή ήχου με τον άξονα τους.

Β] Τα καρδιοειδή που έχουν απόκριση το γράφημα της οποίας σχηματίζει καμπύλη λοβού καρδιοειδούς μορφής.

Γ] Τα υπερκαρδιοειδή των οποίων το γράφημα της καμπύλης απόκρισης σχηματίζει δυο λοβούς διαφορετικού μεγέθους με το λοβό που αντιστοιχεί στην μπροστινή πλευρά κατά πολύ μεγαλύτερο.

Δ] Τα οκταοειδή ή μικρόφωνα δυο λοβών που έχουν διπλή πολική απόκριση το γράφιμα της οποίας σχηματίζει καμπύλη δυο ίσων λοβών έτσι ώστε να σχηματίζεται ο αριθμός οχτώ.