Mikrofono garso bangų konvertavimas

Kaip garsas tampa elektros signalu

Kiekvieną kartą, kai kalbate į telefoną, dainuojate karaokėje ar įrašinėjate tinklalaidę, vyksta tikras technologinis stebuklas – jūsų balso sukuriamos oro virpesiai paverčiami elektros signalais. Šis procesas gali atrodyti sudėtingas, bet iš tikrųjų pagrindinis principas yra gana paprastas ir elegantiškas.

Mikrofono esmė – tai įtaisas, kuris „klauso” garso bangų ir verčia jas į elektrinę energiją. Įsivaizduokite, kad mėtote akmenį į ramų ežerą. Akmenio kritimo vieta sukuria bangų ratus, kurie sklinda visomis kryptimis. Panašiai veikia ir garsas – kai kas nors kalba, jų balso stygos virpa ir stumia oro molekules, kurios sklinda kaip tos vandens bangos. Tik oro bangos keliauja trimačiame erdvėje ir yra daug greitesnės.

Mikrofono užduotis – „pagauti” šias oro bangų svyravimus ir paversti juos elektros srovės svyravimais, kuriuos galima įrašyti, sustiprinti ar perduoti. Skirtingi mikrofonų tipai tai daro skirtingais būdais, bet visi jie turi vieną bendrą elementą – diafragmą arba membraną, kuri juda nuo garso bangų spaudimo.

Dinaminiai mikrofonai ir elektromagnetizmo magija

Dinaminis mikrofonas – tai vienas iš populiariausių ir patikimiausių mikrofonų tipų. Jį rasite scenose, studijose ir net namuose. Jo veikimo principas paremtas elektromagnetine indukcija – tuo pačiu principu, kuriuo veikia elektros generatoriai elektrinėse.

Viduje dinaminis mikrofonas turi labai lengvą diafragmą (plonytę membraną), prie kurios pritvirtinta maža ritė iš plono varinių vielų vijoklio. Ši ritė yra įdėta į stipraus nuolatinio magneto magnetinį lauką. Kai garso bangos paveikia diafragmą, ji pradeda virpėti pirmyn ir atgal. Kartu su ja juda ir ritė.

Štai čia ir prasideda magija – kai varinė ritė juda magneto lauke, joje atsiranda elektros srovė. Tai vadiname elektromagnetine indukcija, kurią XIX amžiuje atrado Michaelas Faraday. Kuo stipresnės garso bangos, tuo labiau virpa diafragma, tuo daugiau elektros srovės generuojama. Kuo aukštesnė garso dažnio, tuo greičiau virpa diafragma.

Dinaminiai mikrofonai ypač mėgstami sceninėms pasirodymams, nes jie tvirti, nebijo drėgmės, gali išlaikyti labai garsų garsą (pavyzdžiui, būgnus ar gitaros stiprintuvą) ir nereikalauja jokio papildomo maitinimo. Legendinis Shure SM58 – tai dinaminis mikrofonas, kurį matėte tūkstančiuose koncertų ir kuris gali išgyventi net kritimą nuo scenos.

Kondensatoriniai mikrofonai ir elektros laukas

Jei dinaminiai mikrofonai yra patikimi darbininkai, tai kondensatoriniai mikrofonai – tai jautrūs menininkai. Jie veikia visiškai kitu principu, paremtu elektros lauko pokyčiais, o ne magnetizmu.

Kondensatorinio mikrofono šerdyje yra du labai arti vienas kito esantys metaliniai diskai – tarsi dvi lėkštės, atskirtos plonutėle oro tarpo. Vienas iš šių diskų yra labai plona ir lengva diafragma, kuri gali virpėti nuo garso bangų. Kitas diskas yra nejudantis. Kartu jie sudaro elektrinį kondensatorių.

Kondensatoriui tiekiama nuolatinė elektros įtampa (dažniausiai 48 voltai – tai vadinama fantominiu maitinimu). Kai diafragma virpa nuo garso bangų, keičiasi atstumas tarp dviejų diskų, o tai keičia kondensatoriaus talpą. Šie talpos pokyčiai sukelia elektros įtampos svyravimus, kurie atitinka garso bangų formą.

Kondensatoriniai mikrofonai yra neįtikėtinai jautrūs ir tikslūs. Jie gali užfiksuoti plačiausią dažnių spektrą ir subtiliausius garso niuansus – nuo šnabždesio iki švilpimo. Todėl jie yra pagrindinė įrankis įrašų studijose, kur svarbu užfiksuoti kiekvieną detalę. Tačiau jie yra jautresni mechaniniams smūgiams ir reikalauja papildomo maitinimo.

Nuo analoginio signalo iki skaitmeninio pasaulio

Kai mikrofonas sukuria elektros signalą, šis signalas vis dar yra analoginis – tai reiškia, kad elektros įtampa kinta tolygiai ir nepertraukiamai, tiksliai atkartodama garso bangų formą. Bet šiuolaikiniame pasaulyje dauguma įrenginių dirba su skaitmeniniu signalu.

Analoginio-skaitmeninio keitiklis (ADC – Analog-to-Digital Converter) atlieka svarbų darbą. Jis „fotografuoja” analoginį signalą tūkstančius kartų per sekundę. Profesionaliuose įrenginiuose tai gali būti 44,100 kartų per sekundę (tai vadinama diskretizavimo dažniu 44.1 kHz) arba net 192,000 kartų per sekundę studijinėje įrangoje.

Kiekvienas toks „kadras” paverčiamas skaičiumi, kuris nurodo signalo stiprumą tuo momentu. Šie skaičiai tada gali būti saugomi kompiuteryje, redaguojami, perduodami internetu ar įrašomi į kompaktinį diską. Kai norite vėl išgirsti garsą, skaitmeninis-analoginis keitiklis (DAC) atlieka atvirkštinį procesą – paverčia skaičių seką atgal į analoginį elektros signalą, kurį gali atkurti garsiakalbiai ar ausinės.

Kiti mikrofonų tipai ir jų ypatumai

Nors dinaminiai ir kondensatoriniai mikrofonai yra labiausiai paplitę, yra ir kitų įdomių tipų. Juostiniai mikrofonai veikia panašiai kaip dinaminiai, tik vietoj ritės naudoja labai ploną metalinę juostelę, kuri virpa magneto lauke. Jie garsėja švelniu, „vintažiniu” garsu ir dažnai naudojami įrašant vokalą ar styginius instrumentus.

Pjezoelektriniai mikrofonai naudoja specialius kristalus, kurie generuoja elektros įtampą, kai ant jų veikiamas mechaninis spaudimas. Tokie mikrofonai dažnai naudojami akustinėse gitarose – jie tiesiog priklijuojami prie instrumento korpuso ir „jaučia” jo vibraciją. Taip pat juos rasite pigesnėse įrangose, telefonuose ar žaislų įrenginiuose.

MEMS (Mikro-Elektro-Mechaniniai Sistemos) mikrofonai – tai mažyčiai mikrofonai, pagaminti naudojant mikroschemų gamybos technologijas. Jie tokie maži, kad telpa ant pirštų galo galiuko, ir būtent juos rasite savo išmaniajame telefone. Nepaisant mažo dydžio, šiuolaikiniai MEMS mikrofonai gali būti labai kokybiški ir pasižymi maža energijos sąnauda.

Dažnių spektras ir mikrofono charakteristikos

Ne visi mikrofonai vienodai reaguoja į skirtingus garso dažnius. Žmogaus ausis girdi dažnius nuo maždaug 20 Hz (labai žemas dundėjimas) iki 20,000 Hz arba 20 kHz (aukštas cypimas). Geras mikrofonas turėtų užfiksuoti visą šį spektrą, bet praktikoje skirtingi mikrofonai turi skirtingas dažnių charakteristikas.

Kai kurie mikrofonai turi specialiai pakoreguotą dažnių atsaką. Pavyzdžiui, daugelis vokalinių mikrofonų turi „priartinimo efektą” (proximity effect) – kai kalbate labai arti mikrofono, žemieji dažniai sustiprėja, suteikdami balsui šiltesnį, gilesnį skambesį. Radijo laidų vedėjai tai puikiai žino ir naudoja šį efektą savo balsui suteikti daugiau „kūniškumo”.

Kiti mikrofonai turi pakeltas aukštąsias dažnius, kad balsas skambėtų aiškiau ir būtų geriau suprantamas. Tai ypač naudinga transliacijose ar podkastuose, kur aiškumas yra svarbesnis už natūralumą.

Kryptingumas – kas ir iš kur bus girdima

Vienas iš svarbiausių mikrofono parametrų yra jo kryptingumas – tai nurodo, iš kokių krypčių mikrofonas geriausiai „girdi” garsą. Yra keletas pagrindinių kryptingumo tipų, ir kiekvienas tinka skirtingoms situacijoms.

Kardioidinis (širdies formos) kryptingumas yra populiariausias. Toks mikrofonas geriausiai girdi garsus, ateinančius iš priekio, o garsus iš šonų ir ypač iš užpakalio slopina. Tai puiku scenoje, kai norite užfiksuoti tik dainininko balsą, bet ne garsiakalbių triukšmą ar publikos šūksnius iš užnugario.

Visų krypčių (omnidirectional) mikrofonai vienodai gerai girdi iš visų pusių. Jie naudingi, kai norite užfiksuoti bendrą aplinkos garsą arba kai įrašinėjate kelis žmones, sėdinčius aplink stalą.

Aštuoneto formos (figure-8) mikrofonai girdi gerai iš priekio ir užpakalio, bet visiškai nesugauna garsų iš šonų. Jie puikiai tinka interviu situacijoms, kai du žmonės sėdi vienas prieš kitą, arba kai norite užfiksuoti ir tiesioginį garsą, ir kambario akustiką.

Kai garsas tampa informacija ir grįžta atgal

Visas šis garso bangų konvertavimo procesas yra nuostabiai greitas ir tikslus. Nuo momento, kai ištariate žodį, iki momento, kai jis pasiekia klausytojo ausis per radiją ar internetą, praeina vos kelios milisekundės arba sekundės, priklausomai nuo perdavimo būdo.

Šiuolaikiniai mikrofonai ir garso apdorojimo technologijos pasiekė tokį lygį, kad galime įrašyti ir atkurti garsą su neįtikėtinu tikslumu. Profesionalios studijos gali užfiksuoti kiekvieną kvėpavimo niuansą, kiekvieną styginių virpesį, kiekvieną būgnų smūgio detale. O mažyčiai mikrofonai mūsų telefonuose leidžia bendrauti su žmonėmis kitame pasaulio gale taip aiškiai, tarsi jie būtų šalia.

Suprasdami, kaip veikia mikrofonai, galite geriau pasirinkti tinkamą įrangą savo poreikiams. Jei įrašinėjate podkastą namuose, kondensatorinis mikrofonas su kardioidine charakteristika bus puikus pasirinkimas. Jei dainuojate scenoje, patikimas dinaminis mikrofonas atlaikys bet kokias sąlygas. O jei tiesiog norite geresnės kokybės skambučių, net išorinis mikrofonas kompiuteriui bus milžiniškas patobulinimas, palyginti su integruotu.

Garso bangų kelionė nuo jūsų lūpų iki klausytojo ausų – tai fizikos, inžinerijos ir technologijų simfonija, kuri vyksta tūkstančius kartų per dieną, dažniausiai visiškai nepastebėta. Bet dabar, kai žinote, kas vyksta viduje, galbūt kitą kartą paimę mikrofoną į rankas pajusite šiek tiek daugiau pagarbos šiam kukliam, bet neįtikėtinai svarbiam įrenginiui.