MEMS mikrofony se dostaly do popředí díky designu a kompaktním rozměrům, zatímco ECM mikrofony nabízí různé varianty montáže a vynikající směrové a akustické vlastnosti. Tento článek popisuje princip ECM mikrofonů, jejich vnitřní obvody a jejich směrovou charakteristiku. Pro správný výběr mikrofonu je důležité vědět co znamenají kritické výkonnostní charakteristiky jako je citlivost, poměr signálu k šumu (SNR) a frekvenční odezva.

Základy elektretového kondenzátorového mikrofonu

Hlavní část elektretového kondenzátorového mikrofonu (ECM) je elektret čili feroelektrický materiál, který je trvale elektricky nabitý čili polarizovaný. Vysoký elektrický odpor a chemická stabilita elektretu zajišťuje, že vložený náboj zůstane neporušený po stovky let bez významného rozpadu. Termín "elektret" pochází z kombinace "elektrostatický" a "magnet". To odráží proces, kterým je do materiálu zabudován statický náboj. Toho je dosaženo zarovnáním statických nábojů v elektretu, analogicky ke způsobu, jakým jsou magnetické domény zarovnány, aby vytvořily magnet. Magnetická doména je oblast v magnetickém materiálu, ve které je magnetizace v jednotném směru. To znamená, že jednotlivé magnetické momenty atomů jsou vzájemně zarovnány a směřují stejným směrem.

Tato vlastnost nabízí významnou výhodu pro mikrofon. Na rozdíl od tradičních kondenzátorových mikrofonů, které k provozu vyžadují externí polarizační napětí, vestavěný statický náboj elektretu tuto potřebu eliminuje. Toto zjednodušení snižuje složitost návrhu obvodů a umožňuje ECM mikrofonům efektivně fungovat v kompaktních a nízkoenergetických aplikacích, a to z nich činí atraktivní volbu pro různé audio systémy.

Princip činnosti elektretového kondenzátorového mikrofonu spočívá v tom, že membrána funguje jako jedna deska kondenzátoru, přičemž zadní deska slouží jako deska druhá. Když zvukové vlny způsobí vibraci membrány, změní se vzdálenost mezi membránou a zadní deskou, a to vede ke změnám kapacity. Tyto změny se řídí kapacitní rovnicí C = Q/V, kde Q je náboj v coulombech (zůstává konstantní kvůli vloženému náboji elektretu), C je kapacita ve faradech a V je potenciální rozdíl ve voltech. Jak se kapacita C mění v důsledku pohybu membrány, dochází k nepřímo úměrnému kolísání napětí V na kondenzátoru, a to generuje elektrický signál, který odpovídá zvukovým vibracím. Toto měnící se napětí je pak přiváděno do FET tranzistoru uvnitř mikrofonu, který tento signál zesiluje. DC blokovací kondenzátor na výstupním stupni odstraňuje nežádoucí DC offset a zajišťuje, že výstup je čistý audio signál. Tento jednoduchý, ale účinný design dělá z ECM mikrofonů spolehlivou volbu pro zachycení zvuku v různých aplikacích.

Obrázek 1: Princip činnosti ECM mikrofonu. (Zdroj obrázku: Same Sky )

Typická struktura elektretového kondenzátorového mikrofonu:

• Netkaná tkanina: Chrání před prachem a zároveň umožňuje průchod zvuku
• Pouzdro: Chrání vnitřní části
• Polární prsten: Zvýrazňuje elektretový materiál aplikovaný na membránu
• Membrána: Vibruje v reakci na zvuk, mění kapacitu
• Distanční vložka: Udržuje vzdálenost mezi membránou a zadní deskou
• Zadní deska: Tvoří stacionární elektrodu kondenzátoru
• Základna: Poskytuje strukturální podporu
• Měděný kroužek: Zajišťuje vodivost a elektrické spojení
• PCB: Obsahuje FET tranzistor a další obvody pro zesílení signálu

Obrázek 2: Rozložený pohled na ECM mikrofon. (Zdroj obrázku: Same Sky)

Obrázek 3: Sestavený pohled na ECM mikrofon. (Zdroj obrázku: Same Sky)

Směrovost ECM mikrofonu

Elektretové kondenzátorové mikrofony jsou k dispozici v různých směrových nebo polárních charakteristikách, které definují zachycení zvuku z různých směrů. Směrovost je kritická vlastnost mikrofonu a měla by být zvolena na základě požadavků aplikace. Nejběžnější směrové charakteristiky ECM mikrofonu jsou všesměrové (obrázek 4), jednosměrné (obrázek 5) a mikrofon potlačující hluk(obrázek 6).

Obrázek 4: Všesměrová polární charakteristika. (Zdroj obrázku: Same Sky)

Všesměrové mikrofony zachycují zvuk ze všech směrů, takže jsou ideální pro aplikace jako je nahrávání skupin zpěváků nebo vedení konferenčních hovorů. Charakteristika snímání zvuku je typicky znázorněna v diagramu, kde 0° představuje přední část mikrofonu a intenzita zvuku je vykreslena radiálně od 0° do 360°. I když jsou tyto mikrofony označovány jako všestranné, mají určitou nevýhodu. Nedokážou rozlišit mezi požadovanými zvuky a okolním hlukem, často tak zachycují a zesilují i okolní zvuky.

Obrázek 5: Jednosměrná polární charakteristika. (Zdroj obrázku: Same Sky)

Jednosměrné mikrofony jsou navrženy tak, aby zachycovaly zvuk primárně z jednoho směru, čímž snižují nežádoucí hluk na pozadí, jako je mluvení, cvakání klávesnice nebo šustění papíru. Díky tomu jsou ideální pro vokální nebo řečové aplikace, kde se požaduje izolace definovaného zdroje zvuku. Nejběžnější jednosměrná charakteristika je ​​znázorněna na obrázku 5 a vyznačuje se širokou snímací oblastí s maximálním potlačením ze strany 180°.

Obrázek 6: Polární charakteristika s potlačením okolního hluku. (Zdroj obrázku: Same Sky)

Mikrofon s potlačením hluku je navržen tak, aby odfiltroval okolní hluk a zároveň se zaměřil na požadovaný zdroj zvuku. Takže je ideální pro hlučná prostředí. Tyto mikrofony mají alespoň dva zvukové porty. Jeden orientovaný na požadovaný zvuk a druhý na okolní hluk. Zvuky v krátké vzdálenosti od mikrofonu mají větší tlakový gradient přes membránu, a to vede k lepšímu zachycení požadovaného zvuku. Zvuky blízko přednímu portu mají zesílení v celém frekvenčním pásmu, zatímco zvuky z jiných úhlů zaznamenají výrazný pokles „středů a basů“. Mezi běžné aplikace patří call centra, náhlavní soupravy ve vrtulníku nebo komunikační systémy pro řidiče závodních vozů.

Klíčové vlastnosti ECM mikrofonů

• Snížení citlivosti: Ztráta zesílení při poklesu napájecího napětí mikrofonu.
• Citlivost: Definuje, jak dobře mikrofon detekuje zvuk. Vysoká citlivost zachycuje tišší nebo vzdálené zvuky s menším zesílením, čímž se snižuje šum. Tato vlastnost pomáhá určit vhodnost pro aplikace jako je nahrávání hudby nebo použití v hlučném prostředí.
• Poměr signálu k šumu (SNR): Představuje poměr požadovaného zvuku (např. řeči nebo hudby) k okolnímu hluku zachyceného mikrofonem. Tento parametr nám naznačuje celkovou čistotu zvuku.
• Styly montáže: Nejběžnější konfigurace pro montáž ECM mikrofony jsou piny na PCB, vodiče s konektorem nebo bez něj a různé typy svorek pro povrchovou montáž či přetavovací pájku nebo pájecí plošky pro ruční pájení.

Závěr

Elektretové kondenzátorové mikrofony jsou v moderní audio technologii nepostradatelné, jelikož nabízejí přesné zachycení zvuku a všestranné směrové schopnosti. Pochopení jejich provozu a klíčových vlastností pomáhá vybrat ten správný mikrofon pro danou aplikaci. Prozkoumejte celou řadu mikrofonů a služeb pro návrh designu od Same Sky.

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com