Як працює мікрофон

Мікрофон – це пристрій, який перетворює звукові коливання (звукову хвилю) в корисний електричний сигнал. Відразу варто відзначити, що типів мікрофонів досить багато, і процес перетворення у них відбувається по-різному. Єдине, що спільного у всіх без винятку так це те, що вхідним сигналом завжди є звукова хвиля або коливання повітря, викликані джерелом звуку, а вихідним сигналом завжди є змінне електричне поле.

Вугільний мікрофон, судячи з історії створення мікрофона, з’явився найпершим. Його конструкція одна з найпростіших і в той же час досить надійних. Може бути тому вугільні мікрофони використовуються і до цього дня.

Складається вугільний мікрофон з корпусу, в якому знаходиться вугільний порошок і мембрана. Принцип його дії заснований на зміні електричного опору вугільного порошку під впливом мембрани, на яку в свою чергу впливають звукові хвилі. Тобто під дією звукових коливань мембрана мікрофона починає вібрувати. Ця вібрація передається на вугільний порошок, який в такт коливанням то стискається, то розширюється. При цьому опір порошку також змінюється (при стисканні – зменшується, при розширенні – збільшується).

Якщо включити вугільний мікрофон в електричний ланцюг, то на її виході ми отримаємо змінну напругу, форма якого буде точно відтворювати форму звукових хвиль.

Електромагнітний мікрофон складається з електричного магніту і феромагнітної мембрани. Звукові хвилі, впливаючи на мембрану, призводять до виникнення її коливань. І оскільки матеріал мембрани (феромагнетик) безпосередньо впливає на магнітне опір всієї системи – на виході ми також отримуємо змінний сигнал, форма якого збігається з формою звукової хвилі.

Електродинамічний мікрофон має два різновиди: котушковий і стрічковий. Котушковий складається з мембрани і магнітної системи (постійного магніту і рухливої ​​котушки). Мембрана пов’язана з рухомою котушкою. Як тільки вона починає коливатися, в рух приходить і рухома котушка. Рухаючись по магнітному стрижня, в витках котушки виникає електромагнітне поле, яке перетворюючись в електричний сигнал, власне і є корисним вихідним сигналом.

У стрічковому електродинамічному мікрофоні немає мембрани. Її роль виконує тоненька металева (зазвичай алюмінієва) стрічка, яка коливається під дією звукової хвилі між полюсами магніту. Вагаючись, вона перетинає магнітні силові лінії і на її кінцях виникає різниця потенціалів. Ці кінці підключені до що підвищує трансформатора, вихідною напругою якого і є корисний сигнал, за формою ідентичний звукових коливань.

Конденсаторний мікрофон має, як і звичайний конденсатор, два плоских електроди і діелектрик між ними. Один з електродів нерухомий, а інший представляє собою аналог мембрани. Рухаючись під дією звукової хвилі, рухливий електрод змінює ємність всієї системи, а підключена до нього електричний ланцюг перетворює її в корисний електричний сигнал. Електретний мікрофон є, по суті, модифікацією конденсаторного. На відміну від останнього, джерелом сигналу в ньому є електричний заряд самої мембрани.

П’єзоелектричні мікрофони складаються з мембрани, пьезоелектрика і приєднаних до нього електродів. Мембрана, через прикріплений до неї стрижень, впливає на п’єзоелектрик, деформуючи його. В процесі деформації на краях пьезоелектрика виникає напруга, форма якого в точності повторює форму впливає на мембрану звукової хвилі. Напруга знімається з електродів і передається як корисний сигнал далі в ланцюг.

§ 18. Звукові хвилі. Інфразвук і ультразвук

Ми живемо в океані звуків. Що являють собою звуки? Як вони утворюються? Чому неможливо почути гуркіт ракетних двигунів у космосі? Чому грім чути пізніше за спалах блискавки? Для чого в студіях звукозапису стіни вкривають шаром звукопоглинальних матеріалів? Як у повній темряві кажани та дельфіни знаходять здобич? Спробуємо знайти відповіді на ці запитання.

1. Знайомимось із джерелами та приймачами звуку

Притисніть до краю стола один кінець лінійки і смикніть її за вільний кінець — він почне коливатись, а ви почуєте звук (рис. 18.1). Річ у тім, що коливання лінійки викликає згущення і розрідження повітря і як наслідок — періодичні збільшення та зменшення тиску в зоні коливань. Стиснуте повітря, намагаючись розширитися, тисне на сусідні шари, теж стискуючи їх. Так від лінійки в усі боки починає поширюватися поздовжня механічна хвиля, яка врешті-решт досягає вашого вуха. Тиск повітря біля вушної мембрани періодично змінюється, і мембрана починає коливатися. Кінець лінійки коливається з частотою понад 20 Гц, саме з такою частотою починає коливатися й вушна мембрана, а коливання з частотою від 20 до 20 000 Гц людина сприймає як звук.

Рис. 18.1. Після того як кінець лінійки буде відпущено, лінійка почне коливатися та випромінювати звук

Звук — це фізичне явище, що являє собою механічну хвилю частотою від 20 до 20 000 Гц.

Джерела звуку — це різноманітні тіла, що коливаються із частотою 20-20 000 Гц. Так, джерелами звуку є мембрани навушників і струни музичних інструментів, дифузори гучномовців і крила комах, частини машин тощо. У трубі, флейті, свистку звук утворюється коливанням стовпа повітря всередині інструментів. Голосові апарати людини й тварин також є джерелами звуку.

• Наведіть ще кілька прикладів джерел звуку.

Для вивчення звуку зручно використовувати камертон (рис. 18.2). Цей пристрій являє собою металеву «рогатку», закріплену на скриньці, в якій відсутня одна стінка. Якщо гумовим молоточком ударити по ніжках камертона, то камертон випромінюватиме ясний довгий звук, який поступово слабшає, але не змінює своєї частоти.

Рис. 18.2. Ніжки камертона коливаються й тому випромінюють звук

У приймачах звуку відбувається перетворення звукових сигналів на інші сигнали, завдяки чому звук можна сприймати та аналізувати. До приймачів звуку, зокрема, належать органи слуху людини та тварин, — в цих органах звукові (механічні) коливання перетворюються на нервові імпульси. У техніці для приймання звуку здебільшого застосовують перетворювачі, в яких звукові коливання зазвичай перетворюються на електричні (рис. 18.3).

Рис. 18.3. У мікрофоні звукові коливання перетворюються на електричні

2. Вимірюємо швидкість поширення звуку

Якщо ми здалека бачимо момент зародження звуку (удар дзвона, сплеск долонь тощо), то помічаємо, що власне звук ми чуємо через певний інтервал часу. Знаючи відстань до джерела звуку та час запізнення, можна виміряти швидкість поширення звуку в повітрі.

Уперше швидкість поширення звуку в повітрі виміряв французький учений Марін Мерсенн (1588-1648) у 1636 р.

За температури 20° С швидкість звуку в повітрі становить приблизно 340 м/с. Це майже в мільйон разів менше від швидкості поширення світла. Саме тому грім чутно пізніше, ніж видно спалах блискавки (рис. 18.4).

Рис. 18.4. Якщо гроза від нас далеко, то гуркіт грому можна почути навіть через 10-20 с після спалаху блискавки

Швидкість поширення звуку залежить від температури, густини, складу та інших характеристик середовища. Так, у рідинах звук поширюється швидше, ніж у газах, і повільніше, ніж у твердих тілах. Швидкість поширення звуку зазвичай збільшується зі збільшенням температури середовища. До того ж чим менша маса молекул середовища, тим швидше поширюється звук. Розв’язуючи задачі, використовуватимемо приблизні значення швидкості поширення звуку (див. таблицю на с. 120).

Перші точні вимірювання швидкості поширення звуку у воді здійснили вчені зі Швейцарії Жан Колладон і Шарль Штурм у 1826 р.

Один із дослідників сидів у човні на Женевському озері та вдаряв по зануреному у воду дзвону. Одночасно з ударом відбувався спалах пороху. Другий дослідник, перебуваючи на відстані 16 км, вимірював час між спалахом пороху та звуком від удару дзвона, який він чув через занурену у воду озера трубу.

Приблизні значення швидкості поширення звуку в деяких середовищах

Середовище

v, м/с

Залізо, сталь, чавун

• Проаналізуйте таблицю. Чому, на вашу думку, швидкість поширення звуку у водні більша, ніж у повітрі, а в сталі більша, ніж у воді?

Зверніть увагу! Оскільки звук — це механічна хвиля, а для поширення механічної хвилі необхідне середовище, звукова хвиля не поширюється у вакуумі (рис. 18.5).

Рис. 18.5. Якщо покласти мобільний телефон під купол повітряного насоса і відкачати повітря, то сигналу виклику ми не почуємо

3. Вивчаємо характеристики звуку

Звуки різної частоти ми сприймаємо як звуки різного тону: чим більшою є частота звуку, тим вищий тон звуку, і навпаки. Ми легко відрізняємо високий тон дзижчання комара від низького тону гудіння джмеля, звучання скрипки — від звучання контрабаса.

Гучність звуку визначається насамперед амплітудою звукової хвилі (найбільшою зміною тиску в області спостереження): чим більша амплітуда, тим гучніший звук. Проте гучність звуку також залежіть від його тону (частоти звукової хвилі). Людське вухо досить погано сприймає звуки низьких (близько 20 Гц) і високих (близько 20 000 Гц) частот, найкраще — середніх частот (1000-3000 Гц).

У ході поширення звуку відбувається поступове розсіювання та згасання звуку, тобто зменшення його гучності. Знання закономірностей розсіювання звуку є важливим для визначення дальності поширення звукового сигналу. Так, на дальність поширення звуку в повітрі впливають температура й атмосферний тиск, сила й швидкість вітру тощо. Інколи в глибинах океану утворюються умови для наддалекого (понад 5000 км) поширення звуку — в такому випадку кажуть про підводний звуковий канал.

Крім гучності та висоти тону ми розрізняємо звуки за тембром: ту саму ноту, взяту на роялі, саксофоні або різними людьми, ми сприймаємо по-різному. Такі різноманітні «відтінки» звуків і називають тембрами.

Річ у тім, що звуки є складними: крім основної частоти (за якою ми й оцінюємо висоту звуку) будь-який звук містить кілька більш слабких і більш високих додаткових частот — обертонів. Чим більше обертонів містить основний звук, тим він багатший.

4. Спостерігаємо відбивання звуку

Якщо порівняти поширення звуку з поширенням світла, то можна помітити деякі спільні риси. І це не є випадковим: світло також є хвилею, але не механічною (про це ви дізнаєтесь пізніше). На межі поділу різних середовищ звукова хвиля, як і світло, зазнає заломлення, поглинання та відбивання. Зупинимося детальніше на відбиванні звуку. Якщо стати недалеко від скелі або поодинокого хмарочоса та плеснути в долоні чи гучно крикнути, через невеликий інтервал часу почуємо повторення звуку. Це — відлуння (рис. 18.6).

Рис. 18.6. Відлуння утворюється внаслідок відбивання звуку

Відлуння — це звук, відбитий від віддаленої перешкоди.

Якщо відстань до перешкоди є досить великою, а звук коротким (удар, оплеск, скрик), ми чуємо чітке повторення звуку. Якщо звук є довгим, то відлуння змішується з первинним звуком і відбитий звук буде нерозбірливим.

• Чому, на вашу думку, під час грози, після того як пролунає перший удар грому, ми ще деякий час чуємо його гуркіт?

На явищі відбивання звуку ґрунтується дія шумозахисних екранів, які встановлюють уздовж автомобільних трас і біля аеропортів. Дослідження відбивання, розсіювання та згасання звуку в газах, рідинах і твердих тілах дозволяє отримати інформацію про внутрішню будову середовища, яким поширюється звук.

5. Розрізняємо інфразвук і ультразвук

Звукові хвилі, частота яких менша за 20 Гц, називають інфразвуковими (від латин. infra — нижче, під).

Інфразвукові хвилі виникають під час роботи деяких механізмів, у разі вибухів, обвалів, потужних поривів вітру, під час шторму, землетрусу тощо.

Інфразвук є дуже небезпечним для тварин і людини: він може викликати симптоми морської хвороби, запаморочення, засліплення, спричинити підвищену агресивність. У разі тривалої дії інтенсивне інфразвукове випромінювання може призвести до зупинки серця. При цьому людина навіть не розуміє, що відбувається, адже вона не чує інфразвук.

Звукові хвилі, частота яких перевищує 20 кГц, називають ультразвуковими (від латин. ultra — понад, за межами).

Ультразвук наявний у шумі вітру та водоспаду, у звуках, які видають деякі живі істоти. З’ясовано, що ультразвук до 100 кГц сприймають багато комах і гризунів (рис. 18.7); уловлюють такі коливання й собаки. Цікаво, що діти, на відміну від дорослих, також чують ультразвукові сигнали (до 24 000 Гц).

Рис. 18.7. Ультразвуковий випромінювач для відлякування комах

Деякі істоти застосовують ультразвук для орієнтації або полювання. Так, кажани та дельфіни випромінюють ультразвук і сприймають його відлуння, завдяки чому вони навіть у повній темряві можуть знайти дорогу або спіймати здобич. Кажуть, що в таких випадках тварини користуються ехолокацією (рис. 18.8).

Рис. 18.8. Під час полювання кажани «застосовують» ехолокацію

Ехолокація — спосіб виявлення й отримання інформації про об’єкт за допомогою відлуння.

Люди навчилися застосовувати ехолокацію в різних галузях, причому найчастіше для ехолокації використовують саме ультразвук.

Наприклад, у медицині ехолокація дозволяє «побачити» ще не народжене немовля, дослідити стан внутрішніх органів, виявити сторонні тіла в тканинах. У техніці ехолокацію застосовують для виявлення дефектів у виробах, вимірювання глибин морів і океанів (рис. 18.9) та ін.

Рис. 18.9. Вимірювання глибини водойм за допомогою ехолокації

Крім того, ультразвуком знезаражують хірургічні інструменти, ліки, руки хірургів тощо. Лікування за допомогою ультразвуку іноді дозволяє уникнути хірургічних операцій.

Ультразвук застосовують також для обробки міцних матеріалів, очищення поверхонь від забруднень тощо.

Контрольні запитання

1. Що таке звук? 2. Наведіть приклади джерел і приймачів звуку. 3. Чому джерело звуку випромінює звук? 4. Від чого залежить швидкість поширення звуку? 5. Якою фізичною величиною визначається висота тону? 6. Чим визначається гучність звуку? 7. Наслідком якого явища є відлуння? 8. Що таке інфразвук? Як він впливає на людину? 9. Що таке ультразвук? Наведіть приклади застосування ультразвуку в природі, медицині, техніці. 10. Що таке ехолокація?

Вправа № 18

1. Ніжки камертона коливаються із частотою 440 Гц. Чи сприймаємо ми хвилю, що поширюється від ніжок, як звук?

2. Чому метелика, який летить, не чути, а коли летить комар, ми чуємо дзижчання?

3. Визначте довжину звукової хвилі частотою 4 кГц у повітрі; воді; сталі.

4. Чому музика і голоси співаків по-різному звучать у порожній залі й у залі, заповненій публікою?

5. За допомогою ультразвуку вимірювали глибину моря (див. рис. 18.9). Сигнал, відбитий від морського дна, було зафіксовано через 4 с після його відправлення. Якою є глибина моря в місці вимірювання?

6. Скільки коливань здійснює джерело звуку за 5 с, якщо довжина хвилі в повітрі дорівнює 1 м?

7. Швидкість поширення звуку в металі першим визначив французький фізик Жан-Батист Біо (1774-1862). Він використав чавунну трубу паризького водогону (завдовжки 951 м). Коли по одному кінцю труби вдаряли молотком, то з другого кінця чули подвійний удар. На скільки секунд звук, який ішов чавуном, обганяв звук, що йшов повітрям?

8. Скористайтесь додатковими джерелами інформації та дізнайтесь, де використовують ультразвук.

9. Скористайтесь додатковими джерелами інформації та дізнайтесь про вплив шуму на здоров’я людини. Як максимально зменшити шкідливу дію шуму?

10. Джерело світла і дзеркало розташовані на одній прямій на відстані 10,8 км одне від одного. Через який час спалах світла досягне дзеркала та повернеться назад?

Експериментальні завдання

1. «Майже Піфагор». Дослідження звуків, які, коливаючись, видає струна, здійснював ще давньогрецький учений Піфагор (VI ст. до н. е). Він вивчав залежність висоти тону звуку від довжини струни. Скориставшись натягнутою ниткою, з’ясуйте, як висота тону залежить від довжини нитки.

2. «Музична лінійка». Повторіть дослід, зображений на рис. 18.1. Зменшуючи довжину частини лінійки, що коливається, доведіть, що, чим ця довжина менша, тим більшою є частота випромінюваного звуку.

3. «Чутлива кулька». Використавши підвішену на нитці легку кульку, доведіть, що під час випромінювання звуку ніжки камертона коливаються, а гучність звуку залежить від амплітуди коливань.

Фізика і техніка в Україні

Борис Павлович Грабовський (1901-1966) — український фізик і винахідник, творець електронної системи передавання рухомого зображення на відстані (на її принципах працює сучасне телебачення); син видатного українського поета Павла Грабовського.

Перший винахід Б. П. Грабовського — катодний комутатор, який став основою для побудови передавальної телевізійної трубки, а наступний — проект телеустановки, яку автор назвав «радіотелефот».

26 липня 1928 р. у Ташкенті відбувся експеримент, під час якого вперше у світі за допомогою електронного методу транслювалося рухоме зображення (обличчя лаборанта).

Серед винаходів Бориса Грабовського — малолітражний гелікоптер, трикрилий планер, прилад для орієнтації сліпих і апарат для глухонімих. Запатентовану вченим ідею отримання катодного променя було успішно використано в Інституті електрозварювання, про що винахідникові писав особисто директор інституту академік Б. Є. Патон.

У 1977 р. в Ташкенті засновано Музей електронного телебачення імені Б. Грабовського. Є музей Бориса Грабовського в Тюмені, а також у селі Пушкарному (тепер Грабовському), що на Сумщині.

Прибираємо відлуння в мікрофоні на Windows 10

Мікрофон, підключений до комп’ютера на Windows 10, може бути необхідний для реалізації різних завдань, будь то звукозапис або управління голосом . Однак іноді в процесі його використання виникають труднощі у вигляді непотрібного ефекту відлуння. Ми далі розповімо про методи усунення даної проблеми.

Прибираємо відлуння в мікрофоні на Windows 10

Існує чимало способів усунення неполадок, пов’язаних з відлуння в мікрофоні. Нами буде розглянуто тільки кілька загальних варіантів рішень, в той час як в деяких окремих випадках для коригування звуку може знадобитися детальний розбір параметрів сторонніх програм.

Спосіб 1: Налаштування мікрофона

Будь-яка версія операційної системи Windows за замовчуванням надає ряд параметрів і допоміжних фільтрів для регулювання мікрофона. Більш детально подібні налаштування ми розглядали в окремій інструкції по нижче представленої посиланням. При цьому в Віндовс 10 можна скористатися як стандартною панеллю управління, так і диспетчером Realtek.

На панелі завдань клацніть правою кнопкою миші по іконці звуку і в списку, виберіть пункт «Відкрити параметри звуку».

Описаних дій цілком достатньо для усунення ефекту відлуння від мікрофона. Не забудьте провести перевірку звуку після внесення змін до параметри.

Спосіб 2: Налаштування звуку

Проблема появи відлуння може полягати не тільки в мікрофоні або його неправильних налаштуваннях, але і внаслідок спотворених параметрів пристрою виведення. В такому випадку слід уважно перевірити всі налаштування, включаючи колонки або навушники. Особливу увагу треба приділити системним параметрам в наступній статті. Наприклад, фільтр «Об’ємний звук в навушниках» створює ефект відлуння, що поширюється на будь-які звуки комп’ютера.

Спосіб 3: Параметри софта

Якщо ви використовуєте будь-які сторонні кошти передачі або запису звуку з мікрофону, що мають власні настройки, необхідно також їх перевірити і відключити непотрібні ефекти. На прикладі програми Skype нами було про це детально розказано в окремій статті на сайті. При цьому всі описані маніпуляції в рівній мірі застосовні до будь-якої операційної системи.

Спосіб 4: Усунення несправностей

Нерідко причина виникнення відлуння зводиться до неправильного функціонування мікрофона без впливу будь-яких сторонніх фільтрів. У зв’язку з цим пристрій необхідно перевірити і по можливості замінити. Про деякі варіанти усунення несправностей ви можете дізнатися з відповідної інструкції у нас на сайті.

У більшості ситуацій при виникненні описуваної проблеми для усунення ефекту відлуння досить виконати дії з першого розділу, особливо якщо ситуація спостерігається тільки на Windows 10. При цьому з огляду на існування великої кількості моделей пристроїв звукозапису, марними можуть виявитися і всі наші рекомендації. Цей аспект варто враховувати і брати до уваги не тільки проблеми операційної системи, але і, наприклад, драйверів виробника мікрофона.