Mikrofon jest urz¹dzeniem przetwa-
rzaj¹cym przebieg czasowy ciœnienia aku-
stycznego na przebieg napiêcia, odbiera-
ny z jego zacisków. Zatem jest on prze-
twornikiem wielkoœci nieelektrycznej na
elektryczn¹. Mikrofonom stawia siê sze-
reg wymagañ:
– minimalne zniekszta³cenia, kszta³t na-
piêcia wyjœciowego powinien w mo¿li-
wie najwierniejszy sposób odpowiadaæ
kszta³towi ciœnienia akustycznego (fali
akustycznej);
– pasmo czêstotliwoœci przetwarzanych
przez mikrofon powinno obejmowaæ ca-
³y zakres akustyczny (20 Hz÷20 kHz);
– charakterystyka czêstotliwoœciowa mi-
krofonu powinna byæ maksymalnie
p³aska w u¿ytecznym paœmie;
– ró¿nice w charakterystykach kierunkowo-
œci dla wszystkich czêstotliwoœci u¿yteczne-
go pasma powinny byæ jak najmniejsze;
– poziom napiêcia wyjœciowego z mikro-
fonu powinien byæ mo¿liwie du¿y, aby
uzyskaæ odpowiedni stosunek sygna³u
do szumu w dalszej obróbce sygna³u;
– mikrofon powinien byæ odporny na ze-
wnêtrzne pola zak³ócaj¹ce.
Mo¿na spotkaæ kilka rodzajów mikrofo-
nów (o ró¿nej budowie i zasadzie dzia³a-
nia), lepiej lub gorzej spe³niaj¹cych po-
wy¿sze wymagania:
– wêglowe (stykowe);
– piezoelektryczne (krystaliczne);
– pojemnoœciowe;
– elektromagnetyczne
(magnetyczne
o kotwicy swobodnej);
– dynamiczne (magnetyczne o ruchomej
cewce).
Mo¿na jeszcze dalej rozszerzaæ klasyfika-
cjê mikrofonów, lecz nie jest to celem ni-
niejszego artyku³u.
Mikrofony wêglowe dziœ praktycznie
nie s¹ stosowane. Mo¿na je spotkaæ we
wk³adkach mikrofonowych starych apara-
tów telefonicznych. Tak¿e mikrofony pie-
zoelektryczne praktycznie wypad³y z obie-
gu. Najwiêksz¹ popularnoœci¹, ze wzglêdu
na bardzo dobre parametry, ciesz¹ siê mi-
krofony pojemnoœciowe i dynamiczne.
Wiêcej uwagi poœwiêcimy teraz mi-
krofonom pojemnoœciowym, które pro-
dukowane s¹ z przeznaczeniem do zasto-
sowañ profesjonalnych jak i w wersjach
bardzo tanich do zastosowañ powszech-
nych. Zyska³y one du¿¹ popularnoœæ dziê-
ki bardzo szerokiemu pasmu przenosze-
nia, doskona³ej równomiernoœci charakte-
rystyki i ma³ym zniekszta³ceniom nielinio-
wym. Pocz¹tkowo du¿ym utrudnieniem
ograniczaj¹cym stosowanie tych mikrofo-
nów by³a koniecznoœæ stosowania dodat-
kowego zasilania napiêciem sta³ym i sto-
sowanie wzmacniacza bezpoœrednio przy
mikrofonie.
Mikrofon pojemnoœciowy (rys. 1)
sk³ada siê z membrany (elastycznej folii
plastikowej lub metalowej), której jedna
strona jest metalizowana i nieruchomego
pierœcienia do którego membrana jest
przymocowana, stanowi¹cego równocze-
œnie drug¹ elektrodê. Taka konstrukcja
tworzy kondensator. Pod wp³ywem ciœnie-
nia akustycznego dzia³aj¹cego na mem-
branê zmienia siê jej odleg³oœæ od nieru-
chomego pierœcienia. Poci¹ga to za sob¹
zmianê pojemnoœci kondensatora. Kon-
densator ten jest spolaryzowany napiê-
ciem sta³ym o doœæ du¿ej wartoœci ok.
100 V. Na wskutek zmian pojemnoœci kon-
densatora, przy sta³ym ³adunku elektrycz-
nym, na zaciskach mikrofonu pojawia siê
napiêcie zmienne proporcjonalne do wy-
Ten intryguj¹cy tytu³ zachêca do przeczytania ciekawego artyku³u
poœwiêconego mikrofonom. Prosty mikrofon kosztuje parê z³otych,
a mo¿e pos³u¿yæ do zbudowania niezmiernie ciekawego urz¹dzenia
przeznaczonego do ³owienia odleg³ych i cichych dŸwiêków np.
œpiewu ptaków, lub odg³osów wydawanych przez zwierzêta. Urz¹-
dzenie to mo¿na te¿ wykorzystaæ do pos³uchania i sprawdzenia
pracy serca. Jeszcze innym zastosowaniem bêdzie diagnostyka sil-
nika samochodowego. Przy pomocy mikrofonu mo¿na pos³uchaæ,
co w silniku s³ychaæ, które elementy pracuj¹ prawid³owo, a które
zgrzytaj¹ lub wydaj¹ inne nienormalne dŸwiêki. Urz¹dzenie, czyli
wzmacniacz s³uchawkowy z uk³adem filtrów jest bardzo prosty,
a zabawy i radoœci z nim zwi¹zanych naprawdê du¿o.
£owcy dŸwiêków czyli
mikrofon kierunkowy
(elektret)
spolaryzowana
Folia
-
-
-
+
+
»100mV
R2
R1
»W
»1GW
»10Hz÷10kHz
WY m.cz.
+
+ -
-
+
+ -
-
+
+
+ -
-
-
T1
»2÷10k
-
Metalizacja
Mikrofon
pojemnoœciowy
elektretowy
+1,5÷10V
Rys. 1 Budowa mikrofonu pojemnoœciowego (elektretowego)
Co nieco o mikrofonach
7
10/99
Elektronika domowa i zabawki
chylenia membrany. Du¿a wartoœæ napiê-
cia polaryzuj¹cego kondensator podykto-
wana jest koniecznoœci¹ uzyskania odpo-
wiedniej czu³oœci. Impedancja wyjœciowa
takiego mikrofonu jest bardzo du¿a rzêdu
dziesi¹tek megaomów. Wymaga on zatem
zastosowania wzmacniacza umieszczone-
go bezpoœrednio w obudowie.
KoniecznoϾ polaryzowania konden-
satora w mikrofonie pojemnoœciowym
uda³o siê wyeliminowaæ przez zastosowa-
nie membrany wykonanej z trwale spola-
ryzowanej elektrycznie folii poliestrowej
zwanej elektretem. Jednak¿e wzmacniacz
przymikrofonowy pozosta³. Jest on z regu-
³y zbudowany na tranzystorze polowym
(w tañszych wersjach), który zapewnia od-
powiednio du¿¹ impedancjê wejœciow¹
przy stosunkowo ma³ych szumach (rys. 1).
Popularne mikrofony elektretowe ko-
sztuj¹ ok. 2÷5 z³. Wy-
magaj¹ napiêcia zasila-
j¹cego wzmacniacz rzê-
du 1÷10 V. Do zasilania
mikrofonu i równocze-
snego odbierania sygna-
³u akustycznego wystar-
cz¹
dwa
przewody
(przewód ekranowany).
Obudowa, zawieraj¹ca
mikrofon i wzmacniacz
ma
œrednicê
oko³o
4÷8 mm, przy wysoko-
œci 4÷10 mm. S¹ to za-
tem urz¹dzenia napraw-
dê miniaturowe.
Jeszcze jedn¹ cech¹
charakteryzuj¹c¹ mi-
krofony jest ich charak-
terystyka kierunkowa,
czyli zmiana czu³oœci
mikrofonu w funkcji k¹-
ta padania fali aku-
stycznej. Kszta³t charak-
terystyki mikrofonu za-
le¿y od jego budowy
mechanicznej. W pewnym zakresie mo¿-
na jednak tak¹ charakterystykê korygo-
waæ. Jak powiedziano na wstêpie nasz
uk³ad ma s³u¿yæ miêdzy innymi do pro-
wadzenia pods³uchu. Zatem od mikrofo-
nu wymaga siê charakterystyki silnie kie-
runkowej. Dziêki temu odbiera on dŸwiê-
ki dobiegaj¹ce z jednego kierunku, silnie
t³umi¹c wszystkie sygna³y „zak³ócaj¹ce”
które nie le¿¹ na osi mikrofonu.
Fabryczne mikrofony kierunkowe
wykonuje siê jako mikrofony interferen-
cyjne (rys. 2). W takim mikrofonie fala
dŸwiêkowa przed dotarciem do membra-
ny przechodzi przez rurê kierunkow¹,
która mo¿e mieæ d³ugoœæ nawet do 1 m.
Wzd³u¿ rury znajduj¹ siê otwory z odpo-
wiednio dobranymi filtrami akustyczny-
mi. Rura zbiera fale dŸwiêkowe wpadaj¹-
ce przez otwory i doprowadza je do
membrany. Fale wpadaj¹ce z kierunku osi
rury nie podlegaj¹ t³umieniu. Natomiast
fale wpadaj¹ce z boków rury, na skutek
ró¿nic fazowych wynikaj¹cych z ró¿nej
d³ugoœci drogi ulegaj¹ wyt³umieniu. Wa¿-
nym jest aby rura nie wykazywa³a rezo-
nansu w³asnego w zakresie odbieranego
pasma czêstotliwoœci. Silna charakterysty-
ka kierunkowa takiego mikrofonu powo-
duje, ¿e dŸwiêk przez niego odbierany
brzmi g³ucho, gdy¿ brak jest w nim to-
nów wysokich, które s¹ bardziej kierunko-
we i wymagaj¹ dok³adnego „wycelowa-
nia” rury na Ÿród³o dŸwiêku.
W warunkach domowych mo¿na
wykonaæ uproszczon¹ wersjê mikrofonu
kierunkowego i jest to nadzwyczaj pro-
ste. Wystarczy wzi¹æ kartkê papieru for-
matu A4 i zwin¹æ j¹ ciasno w rulon, tak
aby otrzymaæ papierow¹ rurkê o d³ugoœci
d³u¿szego boku papieru. Wewnêtrzna
œrednica rurki powinna byæ taka, aby
mo¿na w niej umieœciæ „na wcisk” mikro-
fon elektretowy.
Koniec rurki gdzie umieszczony jest
mikrofon powinno siê pokryæ materia³em
t³umi¹cym dŸwiêki. Mo¿e to byæ pasek
miêkkiej g¹bki owiniêtej na rurce, lub ka-
wa³ek wykonanej z pianki izolacji do mie-
dzianych rur wodoci¹gowych. Zadaniem
tej „izolacji akustycznej” jest t³umienie
dŸwiêków wytwarzanych przez rêkê trzy-
maj¹c¹ mikrofon. Mikrofon pod³¹cza siê
Membrana
jednokierunkowy
Mikrofon
Rura
kierunkowa
Rys. 2 Budowa mikrofonu kierunkowego interferencyjnego
R13
22k
22k
R12
4kHz
0
2kHz
5
2
C5
6
7
US2-B
4,7n
47k-A
P2
W£1-A
W£1-B
3
1
R14
R16
R15
C12
R6
10n
3,9k
3,9k
3,9k
R11 22k
510p
C8
C7
1n
C6
2,2n
R7
33k
68k
US1-B
1k
47k-B
1k
6,8k
R17
R18
6,8k
C13
4,7n
C14
4,7n
22mF
R4
P1
R5
6
4
R8
10k
51k
R9
LM358
C3
100p
C4
10k
4
100mF
10k
100k
7
8
5
T2
330p
C9
BC557B
M
M1
+9V
US1-A
330n
C2
R19
10mF
C15
T1
C10
R2
2
3
1
8
–
47mF
LM358
S£UCHAWKI
BC547B
10mF
10k
6F22
BAT
C1
R10
C11
1k
16÷33W
US2-A
R1
R3
C16
47n
+
+9V
Rys. 3 Schemat ideowy wzmacniacza do mikrofonu
8
10/99
£owcy dŸwiêków czyli mikrofon kierunkowy
teraz do opisanego poni¿ej wzmacniacza
i uk³ad pods³uchiwania jest ju¿ gotowy.
Mo¿na przyst¹piæ do zabawy.
Na zakoñczenie tego byæ mo¿e przy-
d³ugiego wstêpu wypada jeszcze wspo-
mnieæ o bardzo specyficznych mikrofo-
nach kierunkowych charakteryzuj¹cych
siê du¿¹ czu³oœci¹, przy bardzo dobrej
kierunkowoœci. S¹ to mikrofony stosowa-
ne przez tzw. „³owców dŸwiêków”. Ca³a
maszyneria sk³ada siê ze zwyk³ego mikro-
fonu o doœæ wyraŸnej kierunkowoœci i pa-
rabolicznego zwierciad³a akustycznego
o œrednicy rzêdu 1÷1,5 m, bardzo zbli¿o-
nego podobnego do klasycznej anteny
satelitarnej (nie myliæ z anten¹ offsetow¹,
która jest tak¿e paraboliczna, ale nieco
„kopniêta” w bok). Mikrofon umieszczo-
ny jest w ognisku zwierciad³a sk¹d odbie-
ra dŸwiêki zebrane z du¿ej powierzchni
i skupione w ognisku. Tego typu zestaw
umo¿liwia „³apanie” dŸwiêków nawet
z odleg³oœci kilkudziesiêciu metrów (bli¿ej
stu ni¿ dziesiêciu). Zapaleñcom proponu-
je wypróbowanie tego typu uk³adu przy
wykorzystaniu starej anteny satelitarnej.
Ciekawe co z tego wyniknie, mo¿e jakiœ
nowy James Bond.
Mikrofon pojemnoœciowy (elektreto-
wy) M1 zasilany jest przez rezystor R19,
który stanowi równoczeœnie jego obci¹¿e-
nie. Sygna³ akustyczny przez kondensa-
tor C2 doprowadzany jest do wstêpne-
go
wzmacniacza
nieodwracaj¹cego
US1A o regulowanym wzmocnieniu. Re-
gulacjê wzmocnienia w przedziale od
2 V/V do 48 V/V zapewnia potencjometr
P1. Kondensator C4 ogranicza pasmo
przepustowe od góry. Czêstotliwoœæ ogra-
niczania jest zmienna i zale¿y od wzmoc-
nienia. Im wiêksze wzmocnienie tym
ograniczenie nastêpuje przy ni¿szych czê-
stotliwoœciach. Dziêki temu przy wiêk-
szym wzmocnieniu wystêpuje wiêksze
t³umienie szumów wzmacniacza mikrofo-
nowego i wzmacniacza US1A.
Za wzmacniaczem wstêpnym umie-
szczone s¹ dwa filtry, których charaktery-
styki czêstotliwoœciowe przedstawiono na
rysunku 4. Pierwszy z nich jest aktywnym
filtrem dolnoprzepustowym drugiego
rzêdu US1B. Filtr ten posiada mo¿liwoœæ
wybierania czêstotliwoœci granicznej przy
pomocy prze³¹cznika W£1. Do wyboru s¹
trzy rodzaje charakterystyk: p³aska (bez
ograniczania pasma), dolnoprzepustowa
2 kHz i 4 kHz. O czêstotliwoœci granicznej
decyduj¹ pojemnoœci kondensatorów C5,
C7 i C6, C8. Wzmocnienie filtru w paœmie
przepustowym i przy p³askiej charaktery-
styce jest jednostkowe.
Drugi z filtrów jest regulowanym fil-
trem prezencyjnym US2B. Czêstotliwoœæ
œrodkowa filtru wynosi 5 kHz i znajduje
siê w pobli¿u najwy¿szej czu³oœci ucha.
Zadaniem tego filtru jest zwiêkszenie wy-
razistoœci mowy podczas pods³uchiwania
rozmów przez wyeliminowanie tonów
wysokich i niskich. Podobne filtry stoso-
wane s¹ w telefonii. Wielkoœæ „podbicia”
czêstotliwoœci prezencyjnych jest regulo-
wana potencjometrem P2 w zakresie od
0 do 16 dB.
Filtr zrealizowano w oparciu o mostek
podwójne T (TT) umieszczony w ga³êzi
ujemnego sprzê¿enia zwrotnego. W jego
sk³ad wchodz¹ elementy R15, R17, R18,
C12, C13, C14. Druga ga³¹Ÿ sprzê¿enia
zwrotnego jest liniowa (R13). Potencjo-
metr P2 pozwala na p³ynne zmienianie
wielkoœci sprzê¿enia pochodz¹cego z obu
ga³êzi. Wzmocnienie filtru poza pasmem
prezencyjnym jest jednostkowe.
Dzia³anie filtru prezencyjnego jest
skuteczne tylko w przypadku ustawienia
charakterystyki p³askiej w filtrze dolno-
przepustowym US1B. Po w³¹czeniu jed-
nego z filtrów dolnoprzepustowych filtr
prezencyjny wywiera znacznie mniej-
szy wp³yw na wypadkow¹ charakterysty-
kê przenoszenia, choæ jest on jeszcze
zauwa¿alny.
Ostatnim stopniem uk³adu jest
wzmacniacz s³uchawkowy US2A. Tranzy-
story T1 i T2 spe³niaj¹ funkcjê przeciw-
sobnego wzmacniacza pr¹dowego pracu-
j¹cego bez pr¹du spoczynkowego. Znie-
kszta³cenia wynikaj¹ce z prze³¹czania
tranzystorów s¹ w olbrzymiej wiêkszoœci
eliminowane przez g³êbokie sprzê¿enie
zwrotne obejmuj¹ce ca³y wzmacniacz.
Wzmocnienie tego stopnia wynosi 6 V/V.
Do wyjœcia wzmacniacza mo¿na pod³¹-
czyæ s³uchawki o impedancji 16÷33 W.
Ca³y uk³ad wzmacniacza zasilany jest
z baterii 9 V typu 6F22. Dzielnik rezystan-
cyjny R1, R2 dostarcza po³owê napiêcia
zasilania do polaryzacji wejϾ wzmacnia-
100kHz
10kHz
1kHz
100Hz
10Hz
0,0
–4,0
4,0
8,0
16,0
12.0
10Hz
100Hz
1kHz
10kHz
100kHz
[dB]
–32,0
–24,0
–16,0
–8,0
0,0
8,0
a)
b)
[dB]
Rys. 4 Charakterystyki filtrów: a) dolnoprzepustowych 2 kHz i 4 kHz, b) prezencyjnego 5 kHz
Opis uk³adu
9
10/99
£owcy dŸwiêków czyli mikrofon kierunkowy
czy operacyjnych US1 i US2. Pr¹d pobie-
rany przez uk³ad bez sygna³u nie przekra-
cza 20 mA.
Monta¿ uk³adu nie wymaga komen-
tarza. Jedyna uwaga dotyczy potencjo-
metrów P1 i P2, które s¹ montowane na
p³ytce drukowanej po stronie œcie¿ek,
tak by oœki znalaz³y siê po stronie ele-
mentów (patrz fotografia). Koñcówki
potencjometrów ³¹czy siê drucikami (ob-
ciêtymi nó¿kami elementów) z polami
na p³ytce. Jako W£1 zastosowano minia-
turowy dwusekcyjny prze³¹cznik suwa-
kowy, który mo¿na ustawiaæ w trzech
pozycjach.
Mikrofon ³¹czy siê z p³ytk¹ przy po-
mocy przewodu ekranowanego. Nale¿y
zwróciæ uwagê na biegunowoœæ pod³¹cze-
nia mikrofonu. Masa (ekran) przewodu
musi byæ po³¹czona z mas¹ mikrofonu,
która jest zwarta z jedn¹ z nó¿ek (widaæ
to wyraŸnie patrz¹c na mikrofon od
spodu).
Opis wykonania rurki do mikrofonu
kierunkowego podano powy¿ej. Je¿eli
wzmacniacz bêdzie wykorzystywany do
ods³uchiwania pracy serca lub pracy silni-
ka na mikrofon nie zak³ada siê rurki.
Wskazane jest natomiast owiniêcie g¹bk¹
lub piank¹ izolacyjn¹, zostawiaj¹c wolny
koniec na którym jest „wejœcie” czyli
membrana. Tak przygotowany mikrofon
przyk³ada siê do klatki piersiowej i mo¿na
ju¿ ws³uchiwaæ siê w pracê
serca. Podobnie przy silni-
ku, mikrofon przyk³ada siê
w ró¿ne miejsca pracuj¹ce-
go silnika i nads³uchuje od-
g³osów jakie wydaj¹ po-
szczególne mechanizmy, co
bardzo u³atwia wychwyce-
nie wszelkich nieprawid³o-
woœci. Przy prowadzeniu
ods³uchu silnika nale¿y
bardzo uwa¿aæ, aby nie
dotkn¹æ paska klinowego
lub innych obracaj¹cych
siê elementów, gdy¿ grozi
to wci¹gniêciem i zmia¿-
d¿eniem rêki, lub palców.
Trzeba te¿ zwracaæ uwagê
na przewody s³uchawko-
we, mikrofonu i zasilaj¹ce
które mog¹ siê gdzieœ
wpl¹taæ.
Prowadz¹c
nas³uch
wykorzystuje siê oba filtry
i potencjometr wzmocnie-
nia. Przy wyborze filtrów
i wielkoœci wzmocnienia
nale¿y siê kierowaæ jak naj-
lepsz¹ s³yszalnoœci¹ w s³u-
chawkach. Nie ma tu uni-
wersalnej regu³y, która
mówi jak postêpowaæ w ta-
kich przypadkach. Usta-
wienia nale¿y dobieraæ
eksperymentalnie do wa-
runków. Przy zbyt du¿ym
wzmocnieniu mo¿e wyst¹-
piæ zjawisko sprzê¿enia
akustycznego objawiaj¹ce
siê g³oœnym piskiem dobie-
gaj¹cym ze s³uchawek, jest
to normalne. Gdy wzmocniony sygna³
wyemitowany przez s³uchawki zostanie
odebrany przez mikrofon ulega on dal-
szemu wzmocnieniu, tak d³ugo a¿ nast¹pi
wzbudzenie uk³adu objawiaj¹ce siê pi-
skiem. Warunki wzbudzenia s¹ zmienne
i zale¿¹ od g³oœnoœci i odleg³oœci s³ucha-
wek od mikrofonu. Jedynym sposobem
wyeliminowania sprzê¿enia jest zmniej-
szenie wzmocnienia uk³adu.
P³ytki drukowane wysy³ane za zalicze-
niem pocztowym, mo¿na zamawiaæ w re-
dakcji PE.
Cena:
p³ytka numer 477 – 3,55 z³
+ koszty wysy³ki.
477
477
T
R10
C11
S
T
+
C16
T2
C15
R8
LM
358
C10
T1
R16
C12
US2
R9
C9
C13
R17
R18
R14
R15
C14
4kHz
2kHz
0
C5
R11
R12
P2
R13
C7
C1
R1
R5
R19
C4
C6
R7
R6
LM
358
US1
R4
C8
R3
R2
C3
P1
C2
M
T
Rys. 5 P³ytka drukowana i rozmieszczenie elementów
à
Ryszard Kozera
Monta¿ i uruchomienie
US1, US2
– LM 358
R4, R5,
R10
– 1 kW/0,125 W
R14÷R16 – 3,9 kW/0,125 W
R17, R18
– 6,8 kW/0,125 W
R1, R2,
R8, R19
– 10 kW/0,125 W
R11÷R13 – 22 kW/0,125 W
R7
– 33 kW/0,125 W
R9
– 51 kW/0,125 W
R6
– 68 kW/0,125 W
R3
– 100 kW/0,125 W
P1
– 47 kW-B PR 186
P2
– 47 kW-A PR 186
C4
– 100 pF/50 V ceramiczny
C9
– 330 pF/50 V ceramiczny
C8
– 510 pF/50 V ceramiczny
C7
– 1 nF/50 V ceramiczny
C6
– 2,2 nF/50 V ceramiczny
C5, C13,
C14
– 4,7 nF/50 V ceramiczny
C12
– 10 nF/50 V ceramiczny
C16
– 47 nF/50 V ceramiczny
C2
– 330nF/50 V MKSE-20
C1, C10
– 10 mF/25 V
C3
– 22 mF/25 V
C15
– 47 mF/16 V
C11
– 100 mF/16 V
M1
– miniaturowy mikrofon poje-
mnoœciowy (elektretowy)
S£1
– s³uchawki 16÷33 W
W£1
– prze³¹cznik suwakowy
trzypozycyjny
p³ytka drukowana
numer 477
Wykaz elementów
Pó³przewodniki
Rezystory
Kondensatory
Inne
10
10/99
£owcy dŸwiêków czyli mikrofon kierunkowy