Лекция
Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про микрофон, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое микрофон, балансный сигнал, подавитель микрофонов , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Акустроэлектроника и акустооптика.
микрофон (от греч. μικρός — маленький, φωνη — голос) — электроакустический прибор, преобразовывающий звуковые колебания в колебания электрического тока, устройство ввода. Служит первичным звеном в цепочке звукозаписывающего тракта или звукоусиления. Микрофоны используются во многих устройствах, таких как телефоны и магнитофоны, в звуко- и видеозаписи, нарадио и телевидении, для радиосвязи, а также для ультразвукового контроля и измерения.
Схематическое обозначение микрофона
Микрофон является первичным элементом в звукоусилительной цепи включающей также усилитель и громкоговоритель. Микрофоны имеют повсеместное применение, используются:
Вначале наибольшее распространение получил угольный микрофон Эдисона, об изобретении которого также независимо заявляли Генрих Махальский в 1878 году и Павел Голубицкий в 1883 году. Угольный микрофон до сих пор используется в аппаратах аналоговой телефонии. Действие его основывается на изменении сопротивления между зернами угольного порошка при изменении давления на их совокупность.
Конденсаторный микрофон был изобретен инженером Bell Labs Эдуардом Венте (Edward Christopher Wente) в 1916 году. В нем звук воздействует на тонкую металлическую мембрану, изменяя расстояние между мембраной и металлическим корпусом. Тем самым образуемый мембраной и корпусом конденсатор меняет емкость. Если подвести к пластинам постоянное напряжение, изменение емкости вызовет ток через конденсатор, тем самым образуя электрический сигнал во внешней цепи.
Более массовыми стали динамические микрофоны, отличающиеся от угольных гораздо лучшей линейностью характеристик и хорошими частотными свойствами, а от конденсаторных — более приемлемыми электрическими свойствами. Первым динамическим микрофоном стал изобретенный в 1924 году немецкими учеными Эрлахом (Gerwin Erlach) и Шоттки электродинамический микрофон ленточного типа. Они расположили в магнитном поле гофрированную ленточку из очень тонкой (около 2 мкм) алюминиевой фольги. Такие микрофоны до сих пор применяются в студийной звукозаписи благодаря чрезвычайно широким частотным характеристикам, однако их чувствительность невелика, выходное сопротивление очень мало (доли ома), что значительно осложняет проектирование усилителей. Кроме того, достаточная чувствительность достижима только при значительной площади ленточки (а значит, и размерах магнита), в результате такие микрофоны имеют бо́льшие размеры и массу по сравнению со всеми остальными типами.
Пьезоэлектрический микрофон, сконструированный советскими учеными С. Н. Ржевкиным и А. И. Яковлевым в 1925 году, имеет в качестве датчика звукового давления пластинку из вещества, обладающего пьезоэлектрическими свойствами. Работа в качестве датчика давления позволила создать первые гидрофоны и записать сверхнизкочастотные звуки, характерные для морских обитателей.
В 1931 году американские инженеры Венте и Терэс (Albert L. Thuras) изобрели динамический микрофон с катушкой, приклеенной к тонкой мембране из полистирола или фольги. В отличие от ленточного, он имел существенно более высокое выходное сопротивление (десятки ом и сотни килоом), мог быть изготовлен в меньших размерах и является обратимым. Совершенствование характеристик именно этих микрофонов, в сочетании с совершенствованием звукоусилительной и звукозаписывающей аппаратуры, позволило развиться индустрии звукозаписи не только в студийных условиях. Создание малых по размеру (даже несмотря на массу постоянного магнита, необходимого для работы микрофона), а также чрезвычайно чувствительных и узконаправленных динамических микрофонов в заметной степени изменило представление о приватности и породило ряд изменений в законодательстве (в частности, о применении подслушивающих устройств).
Тогда же разработанные электромагнитные микрофоны, в отличие от электродинамических, имеют закрепленный на мембране постоянный магнит и неподвижную катушку. Благодаря отсутствию жестких требований к массе катушки (характерном для динамических микрофонов) такие микрофоны делались высокоомными, а также порой имели многоотводные катушки, что делало их более универсальными. Такие микрофоны, наряду с пьезоэлектрическими, позволили создать эффективные слуховые аппараты, а также ларингофоны.
Электретный микрофон, изобретенный японским ученым Ёгути в начале 1920-х годов, по принципу действия и конструкции близок к конденсаторному, однако в качестве неподвижной обкладки конденсатора и источника постоянного напряжения выступает пластина из электрета. Долгое время такие микрофоны были относительно дороги, а их очень высокое выходное сопротивление (как и конденсаторных, единицы мегаом и выше) заставляло применять исключительно ламповые схемы. Создание полевых транзисторов привело к появлению чрезвычайно эффективных, миниатюрных и легких электретных микрофонов, совмещенных с собранным в том же корпусе предусилителем на полевом транзисторе.
Устройство конденсаторного микрофона
Устройство динамического микрофона
Устройство ленточного микрофона
Принцип работы микрофона заключается в том, что давление звуковых колебаний воздуха, воды или твердого вещества действует на тонкую мембрану микрофона. В свою очередь, колебания мембраны возбуждают электрические колебания; в зависимости от типа микрофона для этого используются явление электромагнитной индукции, изменение емкости конденсаторов илипьезоэлектрический эффект.
Свойства акустико-механической системы сильно зависят от того, воздействует ли звуковое давление на одну сторону диафрагмы (микрофон давления) или на обе стороны, а во втором случае от того, симметрично ли это воздействие (микрофон градиента давления) или на одну из сторон диафрагмы действуют колебания, непосредственно возбуждающие ее, а на вторую — прошедшие через какое-либо механическое или акустическое сопротивление или систему задержки времени (асимметричный микрофон градиента давления).
Большое влияние на характеристики микрофона оказывает его механоэлектрическая часть.
Сравнительные характеристики основных типов микрофонов (устаревшие данные из «БСЭ» 1967 год):
| Тип микрофона | Диапазон воспринимаемых частот, Гц | Неравномерность частотной характеристики, дБ | Осевая чувствительность на частоте 1 000 Гц, мВ/Па |
|---|---|---|---|
| Угольный | 300—3 400 | 20 | 1 000 |
| Электродинамический катушечного типа | 100—10 000 (1 класса)
30—15 000 (высшего класса) |
12 | 0,5
~1,0 |
| Электродинамический ленточного типа | 50—10 000 (1 класса)
70—15 000 (высшего класса) |
10 | 1
1,5 |
| Конденсаторный | 30—15 000 | 5 | 5 |
| Пьезоэлектрический | 100—5 000 | 15 | 50 |
| Электромагнитный | 300—5 000 | 20 | 5 |
Контактный микрофон — это микрофон, который воспринимает вибрации от предмета, с которым соприкасается, и переводит их в звуковой сигнал. Данное устройство не чувствительно к колебаниям воздуха (как обычные микрофоны). Оно начинает работать только при взаимодействии с твердой поверхностью, вибрации которой непосредственно и улавливает. Его применяют при съемке и записи звуков для фильмов или клипов.
Динамический микрофон конструктивно напоминает динамики в наушниках или колонках. Для эксперемента, можете попробовать воткнуть наушники в микрофонное гнездо вашего компьютера и попробовать что-то записать. Но в силу конструктивных особенностей такие микрофоны лучше подходят для караоке нежели для записи голоса или вокала.
Динамические микрофоны
Конденсаторный микрофон — микрофон, действие которого основано на использовании свойств электрического конденсатора. Все высоко качественные студийные мирофоны именно конденсаторные, т. к. обладают весьма равномерной амплитудно-частотной характеристикой и позволяют получить максимально качественную запись. Имеют достаточно большие размеры и вес. Обязательным условием работы такого микрофона является поляризующее напряжение (оно же фантомное питание). Конденсаторный микрофон имеет очень высокое выходное сопротивление. В связи с этим, в непосредственной близости к микрофону (внутри его корпуса) располагают предусилитель.
Как правило, напряжение для поляризации и питания предусилителя подается по сигнальным проводам (фантомное питание). Об этом говорит сайт https://intellect.icu . 48 вольт является стандартом для всех микрофонов и аппаратуры работающей с ними.
Еще одним, не маловажным плюсом конденсаторного микрофона в видесъемке (особенно летсплеев и стримов) — это, как ни странно, его внешний вид. Массивный студийный микрофон привлекает и радует взгляд, придает статусности и профессионализма картинке. Ну и конечно качество звукозаписи максимально в сравнении с петличками, микрофонами встроенными в гарнитуру и прочими мелкими козявками.
Конденсаторные микрофоны
Электре́тный микрофо́н — микрофон с принципом действия, сходным с микрофонами конденсаторного типа, использующий в качестве неподвижной обкладки конденсатора и источника постоянного напряжения пластину из электрета. Используется способность этих материалов сохранять поверхностный заряд в течение длительного времени. Самый распространенный тип микрофона — они везде, в вашем телефоне, камере, домофоне, гарнитуре и т. д. Благодаря электрету могут быть весьма миниатюрными, при этом иметь достойное качество звукозаписи. Так-же как и обычные конденсаторные микрофоны, требуют фантомное питание обычно в районе 3-х вольт достаточно. Внутри этих маленьких козявок всегда встроен усилитель на базе полевого транзистора.
Микрофоны любого типа оцениваются следующими характеристиками:
Чувствительность микрофона определяется отношением напряжения на выходе микрофона к звуковому давлению Р0, как правило, в свободном звуковом поле , то есть при отсутствии влияния отражающих поверхностей . При распространении синусоидальной звуковой волны в направлении рабочей оси микрофона, это направление называется осевой чувствительностью:
M0 = U/P0 (мВ/Па).
Рабочей осью микрофона является направление его преимущественного использования и обычно совпадает с осью симметрии микрофона. Если конструкция микрофона не имеет оси симметрии, то направление рабочей оси указывается в технических условиях. Чувствительность современных микрофонов составляет от 1–2 (динамические микрофоны) до 10–15 (конденсаторные микрофоны) мВ/Па. Чем больше это значение, тем выше чувствительность микрофона.
Таким образом, микрофон с чувствительностью −75 дБ менее чувствителен, чем −54 дБ, а с обозначением 2 мВ/Па менее чувствителен, чем 20 мВ/Па. Для ориентировки : −54 дБ это то же, что и 2,0 мВ/Па. Также надо учесть, что если у микрофона меньше чувствительность, это вовсе не означает, что он хуже.
ЧХЧ микрофонов Октава МК-319 и Shure SM58
Частотная характеристика чувствительности (ЧХЧ) — это зависимость осевой чувствительности микрофона от частоты звуковых колебаний в свободном поле. Неравномерность ЧХЧ, как правило, измеряют в децибелах как двадцать логарифмов (по основанию 10) отношения чувствительности микрофона на определенной частоте к чувствительности на опорной частоте (в основном 1 кГц).
Влияние звукового поля микрофона оценивается акустической характеристикой, которая определяется отношением силы, действующей на диафрагму микрофона, и звуковым давлением в свободном звуковом поле: A = F/P, а потому, что чувствительность микрофона M = U/P можно представить как U/P = U/F • F/P и выразить через А. Тогда получим: M = A • U / F. Отношение напряжения на выходе микрофона к силе, действующей на диафрагму U/F, характеризует микрофон как электромеханический преобразователь. Акустическая характеристика определяет характеристику направленности микрофона. По виду акустической характеристики, а следовательно и характеристики направленности, отличают три типа микрофонов, как приемников звука: приемники давления; градиента давления; комбинированные.
| приемники давления | |
 |
Ненаправленный |
| приемники градиента давления | |
 |
Двунаправленный «Восьмерка» |
| комбинированные | |
 |
Кардиоид |
 |
Гиперкардиоид |
Характеристикой направленности называют зависимость чувствительности микрофона от направления падения звуковой волны по отношению к оси микрофона. Она определяется отношением чувствительности Мα при падении звуковой волны под углом α относительно акустической оси микрофона к его осевой чувствительности:
φ = Mα/M0
Направленность микрофона означает его возможное расположение относительно источников звука. Если чувствительность не зависит от угла падения звуковой волны, то есть φ = 1, то микрофон называют ненаправленным, и источники звука могут располагаться вокруг него. А если чувствительность зависит от угла, то источники звука должны располагаться в пространственном угле, в пределах которого чувствительность микрофона мало отличается от осевой чувствительности.
Ненаправленные микрофоны
В ненаправленных микрофонах — приемниках давления, сила, действующая на диафрагму, определяется звуковым давлением у поверхности диафрагмы. Звуковое поле может действовать только на одну сторону диафрагмы. Вторая сторона конструктивно защищена. Если размеры микрофона малы по сравнению с длиной звуковой волны, то микрофон не изменяет звукового поля. Если размеры соизмеримы с длиной волны, тогда за счет дифракции звуковых волн микрофон приобретает направленность. На частотах от 5000 Гц и ниже такие микрофоны являются ненаправленными. Преимуществом ненаправленных микрофонов является простота конструкции, расчета капсюля и стабильности характеристик с течением времени. Ненаправленные капсюли часто используют в составе измерительных микрофонов, в быту могут быть использованы для записи разговора людей, сидящих за круглым столом.
Микрофоны двустороннего направления
В микрофонах — приемниках градиента давления сила, действующая на движущуюся систему микрофона, определяется разностью звуковых давлений на двух сторонах диафрагмы. То есть, звуковое поле действует на две стороны диафрагмы. Характеристика направленности имеет вид восьмерки.
Двусторонние микрофоны удобны, например, для записи разговора двух собеседников, сидящих друг напротив друга.
Микрофоны одностороннего направления
Односторонняя направленность достигается в микрофонах комбинированного типа. Их диаграммы направленности близки по форме к кардиоиде, поэтому нередко их называют кардиоидными. Модификации микрофонов, имеющих еще меньшую направленность, чем кардиоидные, называют суперкардиоидными и гиперкардиоидными, однако эти разновидности, в отличие от кардиоидного микрофона, также чувствительны к сигналам с противоположной стороны.
Эти микрофоны имеют определенные преимущества в эксплуатации: источник звука располагается с одной стороны микрофона в пределах достаточно широкого пространственного угла, а звуки, распространяющиеся за его пределами, микрофон не воспринимает.
Уровень собственных шумов микрофона Nш определяется отношением эффективного напряжения на выходе микрофона при отсутствии звукового поля Uш к напряжению U1 при наличии звукового поля с эффективным давлением в 0,1 Н/м²:
Nш = 20 lg Uш/U1, дБ.
Напряжение Uш обусловлено главным образом тепловыми шумами в компонентах электрической схемы микрофона.
Для микрофонов существуют различные типы защиты: накладки из полиуретана, поп-фильтры и звукозаглушающие боксы.
Микрофон со снятой защитой.
Поп-фильтр.
«Дохлая кошка» и «дохлый котенок». Дохлая кошка закрывает стерео-микрофон для DSLR-камеры. Названия отличаются из-за разных размеров.
Важной особенностью конденсаторных микрофонов является балансный выход. (хотя такой сигнал можно сделать идругими методами и для других типов микрофонов) Балансное подключение это метод передачи сигнала, который хорошо помагает справляться с воздействием помех.
Рассмотрим отличие небалансного подключения (которое используется в подавляющем количестве бытовой аудио техники) и балансного (являющегося стандартом для профессиональной аудио техники)
На нижней картинке показано небалансное подключение сигнал от источника идет по одному проводу собирает на себя все наводки и помехи. Потом этот сигнал поступает в усилитель и на входе мы получаем полезный сигнал с примешанными к нему шумами.
В случае же с балансным подключением, сигнал идет по двум информационным проводникам балансной линии и передается в противофазе с равной амплитудой относительно земли. Приемник балансного сигнала вычитает из прямого сигнала инверсный, в результате помехи, синфазно наведенные на такую линию, вычитаются, а полезный сигнал увеличивается по амплитуде в два раза.
Балансное подключение имеет огромное преимущество в с равнении с небалансным — это высокая помехоустойчивость и возможность передавать сигнал на существенно большее расстояние. Но из этого плюса вытекает большой минус такого подключения — это повышенная техническая сложность передающей и принимающей частей, а так-же дополнительный провод.
Все конденсаторные микрофоны (за исключением вариантов со встроенной звуковой картой) имеют балансный выход. Именно поэтому нельзя так просто взять и подключить конденсаторный микрофон к компьютеру. Нужно фантомное питание и дифференциальный усилитель.
«Речевой хор» или «белый шум»
Первая и очевидная мысль — подобное подобным. Просто будем шуметь так, что диктофон захлебнется. Увы, поездка в метро (или шумная дискотека) не защитит переговоры от записи. В диктофонах бывает отличная система чувствительности/фильтрации и разговор в метро после фильтра будет похож на беседу в чистом поле. В случае акустической помехи очень важно расстояние до записывающего устройства и характер самой помехи. Потому если используют акустическую помеху, то она по содержанию состоит либо из записанного заранее голоса переговорщика и многократно наложенная на саму себя, либо это звуки китайского рынка, где множество разных голосов. Но при этом громкость звука должна быть намного выше речи собеседника, а ведь военные, как известно, быстро переходят на мат и громкость командного голоса ого го какая, так что мощность доходит до 90 дБ и выше. Как можно при этом разговаривать? Переговорщики надевают наушники и разговаривают через гарнитуру.
Ультразвук
Чуть более техническое и гуманное решение — использовать ультразвук. Некоторые микрофоны такие чувствительные, что записывают даже ультразвук. Поэтому подавая мощный УЗ-сигнал можно глушить запись. Фишка ультразвука в том, что его не слышно невооруженным ухом (хотя некоторые слышат, похоже на звуки НЛО). Этим можно воспользоваться для создания скрытого подавления диктофонов. Но вот расстояние и ткань являются проблемами для такого подавления. Так что если вы с включенным мобильником во внутреннем кармане будете находиться на расстоянии более 1-2 метров от источника ультразвука, то он, возможно, не окажет влияния на диктофон. Многое зависит от типа диктофона.
EMP shockwave
Диктофон — это электронное устройство, так что его можно вывести из строя мощным электромагнитным полем. А точнее наводить электромагнитные помехи. Такой способ работает и даже в скрытом режиме, но вот беда, в сотовом телефоне стоит отличнейший экран на микрофоне от ЭМ-помех (от GSM-передатчика), да и профессиональные диктофоны, такие как «Гном», изготавливаются с экранированием. Хорошо что цена «Гнома» такая, что не каждый себе такой позволит.
Диктофон «Гном» в металлическом корпусе
Направленное излучение мощного СВЧ сигнала, модулированное либо белым шумом (все первые модели и часть современных) либо речеподобной помехой. Помеховый сигнал наводится на входные цепи диктофона – микрофон, предусилитель. Наведенный сигнал настолько мощный, что практически забивает полезный, делая невозможным нормальную запись.
А вот это кейс, с 80-ти градусной диаграммой направленности и радиусом действия 3 метра, который можно нацелить из под стола на собеседника и попытаться заглушить всю его электронику (главное заодно не заглушить кардиостимулятор).
Суровые дядьки пользуются специально оборудованными комнатами
Стационарные бесшумные
Стационарные акустические
Переговоры осуществляются с помощью наушников с шумопоглащающими гарнитурами и специальных микрофонов. Речевые сигналы, поступающие с микрофонов, подвергаются обработке для отсева шумовой составляющей. Имеется возможность индивидуальной регулировки громкости и отключения микрофонов. Речь говорящего абонента, перехватываемая средствами контроля, представляет собой смесь «речевой помехи», создаваемого прибором и речи абонента. Выделение последней становится практически нерешаемой задачей.
Если надо провести важный разговор в автомобиле — есть мобильные версии:
Вокруг нас куча звукозаписывающей техники — смартфоны, камеры, умные часы, умные колонки, диктофоны. Могут быть еще скрытые прослушивающие устройства, жучки. Некоторые гаджеты работают в режиме непрерывной прослушки (голосовые помощники в колонках, смартфонах, часах). Чтобы защитить человека, в прошлом году инженеры из Чикагского университета разработали элегантный браслет, который глушит все микрофоны вокруг.
Универсальная глушилка или подавитель микрофонов — полезная вещь для защиты приватности как в помещении, так и на улице. Посмотрим, как она работает.
Подавитель микрофонов из Чикагского университета излучает белый шум на частоте 24—25 кГц. Принцип работы основан на обнаруженной уязвимости стандартных микрофонов с усилителем сигнала. Дело в том, что микрофоны в обычных потребительских устройствах восприимчивы к ультразвуку. Как подробно объясняется в этой научной работе от 2017 года, достаточно сильный ультразвук создает в микрофоне своеобразную низкочастотную тень, таким образом забивая прием на остальных частотах, в том числе в диапазоне 80—600 Гц, в котором звучит человеческий голос. Появление «тени» объясняется нелинейным усилением сигнала в цепи микрофона (этот эффект нелинейности давно используют музыканты для синтеза звуков, но только сейчас ему нашлось применение в области информационной безопасности, в том числе его использовали для атаки на умные колонки с помощью неслышимых человеку команд в ультразвуке).
Рабочий принцип подавителя микрофонов. Неслышимый человеку ультразвук (справа) создает низкочастотную тень (слева), которая покрывает диапазон человеческой речи
Старые подавители микрофонов использовали менее эффективные техники, например, излучение СВЧ
Подавитель диктофонов «Канонир»
Так или иначе, у любых стационарных подавителей есть «слепые зоны», куда излучение не доходит. Как показала симуляция исследователей из Чикагского университета, у типичного стационарного подавителя с 9 динамиками ультразвука в слепые зоны входит 17% всего пространства в радиусе 1,2 м (на иллюстрации внизу).
Симуляция эффективности подавителей микрофонов разной конструкции
Мобильное устройство решает эту проблему за счет естественных движений человека во время жестикуляции или ходьбы. Ученые продемонстрировали, что такие движения действительно эффективно покрывают слепые зоны и увеличивают радиус действия.
Кроме того, существующие подавители зачастую направленные, то есть их нужно направлять в сторону микрофона. У мобильного подавителя передатчики ультразвука направлены во все стороны. Это выводит из строя даже скрытые микрофоны, о существовании которых мы не знаем.
Эффективность мобильного подавителя проверили в серии экспериментов. Результаты следующие:
Конечно, последний пункт ничего не говорит об эффективности устройства.
В прежние времена подавитель диктофонов был специализированным устройством для людей, желающих обеспечить конфиденциальность переговоров. Сегодня ситуация принципиально другая. Вокруг нас все больше умных устройств, которые ведут постоянную прослушку в ожидании определенной голосовой команды (например, “Alexa” или “Hey Google”). Голосовые ассистемнты с такой функциональностью ставят в смартфоны, умные часы, умные колонки, телевизоры и т. д.
Неоднократно фиксировались случаи, когда подобные устройства записывали разговоры и отправляли информацию на удаленный сервер без ведома владельца. Это случается из-за неправильной конфигурации голосового ассистента, по установке от производителя или в результате взлома.
Ситуация усугубляется тем, что многие акустические атаки предусматривают прослушку с помощью устройств, не предназначенных для этого, и нестандартные векторы атаки. Например, динамики могут записывать звук, то есть работать как микрофон (если перед ними нет усилителя). А по звуку клавиатуры злоумышленник может прочитать набираемый текст.
Поэтому постоянная защита конфиденциальности с помощью подавителя микрофонов в будущем может стать стандартным правилом цифровой гигиены. Возможно, это также защитит от жутких случаев ложного срабатывания голосовых ассистентов.
Примечание: подавитель не действует против iPhone 8 и более старших версий, где Apple закрыла микрофон водонепроницаемой мембраной. Судя по всему, мембрана плохо пропускает ультразвук.
Цифровой диктофон
На обычный цифровой диктофон УЗ-излучатель никакого влияния не оказывает.
рекомендация — против цифровых диктофонов использовать электромагнитную помеху.
Комплексный подход к защите переговоров включает в себя использование глушилок сотовой связи, обнаружение жучков, постановка электромагнитной помехи, а так же виброакустическую защиту окон и стен, защиту электросети.
Пожалуйста, пиши комментарии, если ты обнаружил что-то неправильное или если ты желаешь поделиться дополнительной информацией про микрофон Надеюсь, что теперь ты понял что такое микрофон, балансный сигнал, подавитель микрофонов и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Акустроэлектроника и акустооптика
Комментарии
Оставить комментарий
Акустроэлектроника и акустооптика
Термины: Акустроэлектроника и акустооптика