Как работает микрофон

Микрофон устроен так, чтобы превратить механическое колебание воздуха - звуковую волну - в электрический сигнал, который затем можно усилить, записать на носитель или передать по проводам и радиоканалу. Внутри у любого микрофона, каким бы он ни был по конструкции, есть тонкая подвижная мембрана, которая первой встречает звук и начинает раскачиваться вместе с ним, и узел позади неё, переводящий это механическое движение в изменение напряжения или заряда. Устройство этого второго узла и различает типы микрофонов между собой: динамический, конденсаторный, ленточный, электретный или миниатюрный МЕМС-капсюль смартфона работают по разным физическим принципам, и от выбора принципа зависят чувствительность, естественность звучания, необходимость во внешнем питании и то, для какой задачи микрофон в итоге годится.

Мембрана - общий узел для всех типов

Звук - это не что-то нематериальное, а колебание давления воздуха: источник звука (голосовые связки, струна, динамик) толкает воздух вперёд и назад, создавая чередующиеся зоны сжатия и разрежения, которые бегут волной от источника к слушателю. Чтобы записать эту волну, нужен предмет, способный повторить её движение с минимальной задержкой и минимальными искажениями. Такой предмет - мембрана, или диафрагма: плёнка толщиной в доли миллиметра из майлара, алюминиевой фольги, тонкого металлизированного полимера или, в дорогих студийных моделях, из напылённого золотом полиэстера.

Чем легче и тоньше мембрана, тем быстрее она откликается на мелкие изменения давления и тем точнее передаёт высокие частоты, но тем она и более хрупкая, более чувствительная к порывам ветра и резким хлопкам согласных вроде «п» и «б» - отсюда поролоновые насадки и защитные экраны перед вокальными микрофонами. Мембрана натянута на жёсткое кольцо и обычно слегка выгнута или удерживается в определённом натяжении: от этого зависит её собственная резонансная частота, то есть та частота, на которой она колеблется охотнее всего и которую конструкторы стараются либо увести за пределы слышимого диапазона, либо использовать намеренно, чтобы подчеркнуть определённый тембр.

Как звук становится колебанием, а колебание - сигналом

Когда звуковая волна достигает микрофона, она попеременно давит на мембрану и отпускает её, заставляя ту двигаться вперёд-назад с той же частотой, что и исходный звук, и с амплитудой, пропорциональной громкости. Высокий звук раскачивает мембрану часто, низкий - редко; громкий звук раскачивает её сильно, тихий - едва заметно. Дальше начинается собственно электрическая часть: то, что прикреплено к мембране или расположено рядом с ней, превращает это механическое дрожание в электрический сигнал - переменное напряжение или переменный заряд, форма которого повторяет форму звуковой волны. Именно способ этого превращения и определяет тип микрофона.

Динамический капсюль: катушка в поле магнита

В динамическом микрофоне к обратной стороне мембраны приклеена лёгкая катушка из тонкого провода, а сама катушка помещена в зазор постоянного магнита. Когда мембрана колеблется, катушка вместе с ней двигается внутри магнитного поля, и по закону электромагнитной индукции в проводе наводится электродвижущая сила: движущийся в поле проводник порождает напряжение, пропорциональное скорости его движения. Это тот же принцип, что и в электрогенераторе, только в миниатюре и с обратным по смыслу применением - динамик, наоборот, превращает электрический сигнал в движение мембраны, поэтому динамический микрофон и электродинамический громкоговоритель устроены практически зеркально.

Такая конструкция не требует внешнего питания: напряжение возникает само по себе за счёт движения катушки в поле. Из-за этого динамические микрофоны прочны, нечувствительны к влажности и перепадам температуры, легко переносят падения и удары, а также громкий звук у самого капсюля - поэтому именно их чаще всего дают в руки для живого выступления на сцене или используют для озвучивания барабанов и гитарных усилителей. Расплата - более скромная чувствительность к тихим и очень высоким деталям звука: масса катушки не позволяет мембране реагировать так же стремительно, как в лёгких конденсаторных капсюлях.

Конденсаторный капсюль: заряд между двумя пластинами

Конденсаторный, или ёмкостный, микрофон устроен иначе: сама мембрана - это одна обкладка миниатюрного конденсатора, а вплотную к ней, на расстоянии в доли миллиметра, закреплена неподвижная перфорированная пластина - вторая обкладка. Между обкладками подаётся постоянное напряжение, заряжающее эту пару, как обычный конденсатор в электронной схеме. Когда мембрана под действием звука приближается к неподвижной пластине или отдаляется от неё, меняется расстояние между обкладками, а значит меняется и электрическая ёмкость этой пары. Поскольку заряд на обкладках стараются удерживать постоянным, изменение ёмкости напрямую превращается в изменение напряжения на выходе - это и есть электрический сигнал.

Такая система гораздо легче динамической: у мембраны нет тяжёлой катушки, только тонкая металлизированная плёнка, поэтому она отзывается на мельчайшие изменения давления воздуха и передаёт детали, шелест и высокие обертона заметно точнее. Плата за чувствительность - необходимость во внешнем питании: заряжать обкладки и усиливать слабый сигнал нужно постоянно работающей электронике внутри капсюля, которая получает напряжение либо от батарейки, либо от студийного оборудования по кабелю. Именно поэтому конденсаторные микрофоны обычно используют в студиях и на съёмочной площадке, где есть стабильное питание и контролируемая тихая обстановка, а не на шумной сцене, где их чувствительность скорее мешает.

Электретные и МЕМС-капсюли: конденсаторный принцип в миниатюре

Электретный микрофон - это разновидность конденсаторного, в которой не нужно подавать напряжение на обкладки извне: одна из них сделана из электрета, материала, способного сохранять электрический заряд на протяжении десятилетий, подобно тому как постоянный магнит сохраняет намагниченность без источника тока. Заряд «зашит» в материал ещё на производстве, и капсюлю остаётся только усилить получившийся слабый сигнал - для этого внутри всё равно стоит миниатюрный транзисторный усилитель, которому нужно небольшое питание, но требования к нему куда скромнее, чем у классического конденсаторного микрофона. Благодаря дешевизне и компактности электретные капсюли много десятилетий были основой недорогих микрофонов для видеокамер, диктофонов и гарнитур.

Ещё компактнее устроен МЕМС-микрофон - миниатюрная электромеханическая система, вытравленная на кремниевой пластине вместе с усилительной электроникой теми же методами, что используют при производстве микрочипов. Подвижная мембрана размером в доли миллиметра и неподвижная обкладка формируются прямо на кристалле кремния, а рядом с ними на той же пластине располагается схема усиления и оцифровки сигнала. Именно такие капсюли стоят в смартфонах, ноутбуках, беспроводных наушниках и умных колонках: они дешёвы в массовом производстве, занимают ничтожно мало места на печатной плате и легко интегрируются с остальной электроникой устройства без отдельного громоздкого узла.

Ленточный капсюль: мембрана и проводник в одном

Отдельно стоит ленточный микрофон, устроенный ближе к динамическому по физике, но иначе конструктивно. Здесь вместо мембраны с приклеенной катушкой используется тончайшая гофрированная металлическая лента, подвешенная в зазоре сильного магнита так, что сама лента одновременно служит и мембраной, воспринимающей звук, и проводником, в котором наводится напряжение при движении в магнитном поле. Из-за ничтожной массы такая лента чрезвычайно чутко реагирует на резкие изменения звука и передаёт их без металлического призвука, свойственного некоторым другим типам капсюлей, поэтому ленточные микрофоны ценят за мягкое, тёплое звучание, особенно на духовых инструментах и вокале.

За эту мягкость приходится платить хрупкостью: ленту толщиной в несколько микрон легко порвать сильным порывом воздуха или ударом, поэтому старые ленточные микрофоны боялись даже переноски без защитного чехла. Современные модели получили усиленные ленты и защитные сетки, но по сравнению с динамическими капсюлями ленточные остаются заметно более деликатным инструментом, который чаще встречается в студии, чем на гастролях.

Направленность: как микрофон слышит с разных сторон

Направленность, или полярная диаграмма, описывает, насколько хорошо микрофон улавливает звук с разных сторон относительно своей оси. Круговая, или всенаправленная, диаграмма получается у капсюля, реагирующего только на общее давление воздуха вокруг закрытой мембраны: такому капсюлю всё равно, с какой стороны пришёл звук, поэтому он одинаково хорошо, а иногда и одинаково нежелательно, слышит и голос перед собой, и шум за спиной. Такая схема удобна для записи атмосферы помещения или разговора нескольких людей вокруг стола.

Кардиоидная направленность, названная так за сходство диаграммы с сердцем, получается, если позади мембраны сделать отверстия, через которые звук с задней стороны тоже попадает на неё, но с небольшой задержкой и через звукопоглощающий материал. Звук спереди действует на мембрану напрямую и сильно, а звук сзади, пройдя через заднее отверстие, гасит сам себя за счёт этой задержки - в результате капсюль хорошо слышит то, что перед ним, и заметно слабее то, что позади. Именно кардиоидную направленность чаще всего выбирают для вокала на сцене: она меньше подхватывает звук мониторов сзади и снижает риск акустической обратной связи, того самого пронзительного свиста.

Двунаправленная диаграмма, или восьмёрка, свойственна прежде всего ленточным микрофонам: лента открыта с обеих сторон и одинаково реагирует на звук спереди и сзади, но почти не слышит того, что приходит сбоку, - удобно для дуэта, сидящего друг напротив друга у одного микрофона. Узконаправленные, или суперкардиоидные и «пушечные» микрофоны используют удлинённый корпус с рядом прорезей вдоль ствола: звук, идущий точно по оси, достигает мембраны без помех, а звук, идущий сбоку, попадает в разные прорези с разной задержкой и гасит сам себя за счёт интерференции волн. Такая конструкция позволяет выхватывать голос конкретного человека на расстоянии, приглушая всё остальное вокруг, - именно поэтому «пушечные» микрофоны на длинной штанге - обычный инструмент на съёмках кино и репортажей.

Что происходит с сигналом после капсюля

Сигнал, который выдаёт капсюль сам по себе, очень слабый - его напряжение измеряется тысячными долями вольта, и без усиления такой сигнал легко потерялся бы в наводках проводов. Поэтому сразу за капсюлем стоит предварительный усилитель, поднимающий уровень сигнала до рабочего, а у конденсаторных и электретных капсюлей встроенная электроника заодно преобразует изменение заряда или ёмкости в привычное переменное напряжение. Дальше, если запись ведётся на цифровое устройство, аналоговый сигнал проходит через аналого-цифровой преобразователь, который тысячи раз в секунду измеряет мгновенное напряжение и записывает его в виде последовательности чисел - именно из этих чисел затем собирается цифровая звуковая дорожка, которую можно редактировать, сжимать и воспроизводить на любом устройстве.

Почему выбор капсюля и направленности определяет применение

Разница в устройстве капсюлей - это не вопрос моды, а прямое следствие компромисса между чувствительностью, прочностью, стоимостью и потребностью в питании. На сцене, где важны надёжность и устойчивость к громкому звуку в упор, почти всегда выбирают прочный кардиоидный динамический капсюль. В студии, где обстановка тихая и контролируемая, а важны детали и естественность тембра, чаще берут конденсаторный или ленточный микрофон с более широкой направленностью. Для интервью и документальной съёмки, где нужно выделить голос конкретного человека среди уличного шума, используют узконаправленные «пушечные» капсюли. А там, где на первый план выходят цена, размер и совместимость с электроникой, - в смартфонах, ноутбуках, умных колонках и переговорных устройствах вроде домофона, где встроенный домофон объединяет в одном корпусе миниатюрный микрофон и динамик, - побеждают компактные электретные и МЕМС-капсюли, для которых компромисс с чувствительностью не так важен, как способность уместиться на печатной плате толщиной в несколько миллиметров.

Именно поэтому не существует одного «идеального» микрофона: инженер каждый раз выбирает физический принцип и форму диаграммы направленности исходя из того, где и для чего микрофону предстоит работать, - и результат этого выбора слышен в записи задолго до того, как слушатель задумается о технической стороне вопроса.