Come funzionano i microfoni? (La guida illustrata definitiva)

Non capita spesso di pensare a come funzionano i microfoni. I microfoni fanno parte della nostra vita quotidiana e in qualche modo dati per scontati, quindi sono felice che tu abbia chiesto come funzionano.

Come funzionano i microfoni? I microfoni funzionano come trasduttori, convertendo le onde sonore(energia delle onde meccaniche) in segnali audio/microfonici(energia elettrica). Sebbene ci siano vari mezzi per convertire la potenza all’interno di diversi microfoni, tutti utilizzano un diaframma che reagisce al suono e consente la conversione in un segnale del microfono.

In questa utile guida illustrata, daremo uno sguardo approfondito al funzionamento interno dei microfoni e descriveremo come funzionano tutti i tipi di microfono comuni per convertire il suono in audio.

Cos’è un trasduttore?

Cos’è un trasduttore? Un trasduttore è un dispositivo che converte una forma di energia in una diversa forma di energia.

I microfoni funzionano come trasduttori, convertendo l’energia delle onde meccaniche in energia elettrica. In poche parole, i microfoni convertono le onde sonore in segnali audio.

Il microfono come trasduttore

Il diaframma di un microfono reagisce alle onde sonore a cui è sottoposto. Poiché il diaframma si muove in base a diversi livelli di pressione sonora, il microfono produce un segnale microfono corrispondente.

Prima di approfondire la meccanica di come un microfono converte l’energia, definiamo meglio le energie in questione.

Energia delle onde meccaniche(onde sonore)

Che cos’è l’energia delle onde meccaniche? L’energia delle onde meccaniche è l’energia trasportata da un’onda meccanica(un’oscillazione della materia all’interno di un mezzo). Le onde meccaniche, e quindi l’energia delle onde meccaniche, possono essere trasferite solo in mezzi che hanno elasticità e inerzia(gas, liquido, solido).

Cos’è un’onda sonora? Un’onda sonora è un tipo di onda meccanica definita dal modello di disturbo delle particelle all’interno di un mezzo elastico. Le oscillazioni dei disturbi delle particelle causati dalle onde sonore sono definite nell’intervallo di 20 Hz e 20.000 Hz.

La forza di un’onda sonora viene solitamente misurata in livello di pressione sonora(dB SPL) o Pascal(Pa).

Le onde sonore udibili si verificano nella gamma di frequenza da 20 Hz a 20.000 Hz. Gli infrasuoni non udibili si verificano al di sotto di 20 Hz, mentre gli ultrasuoni non udibili si verificano al di sopra di 20.000 Hz.

Quando dico «non udibile» intendo non udibile per gli esseri umani.

Energia elettrica(segnali audio)

Che cos’è l’energia elettrica? Per “energia elettrica” si intende l’energia potenziale elettrica. È alimentato da corrente elettrica e potenziale elettrico(tensione) e viene erogato tramite circuiti elettrici. Nei tempi moderni, l’energia elettrica viene raccolta e quasi sempre convertita in un altro tipo di energia(calore, movimento, luce, ecc.).

Che cos’è un segnale audio? Un segnale audio è un segnale elettrico che rappresenta il suono sotto forma di energia elettrica. I segnali audio analogici vengono misurati come tensioni CA in millivolt(RMS) o decibel rispetto alla tensione(dBV o dbu).

trasduttori microfonici

Quindi, i microfoni convertono l’energia meccanica in energia elettrica.

Il modo in cui lo fanno varia da un tipo di microfono all’altro. Discuteremo come funziona ogni tipo di microfono in questo articolo.

Tipi di trasduttori microfonici

Esistono molti tipi di microfoni con molti fattori per differenziarli. Tuttavia, quando si tratta del tipo di trasduttore, ci sono due tipi principali di microfoni:

• Trasduttori microfonici dinamici.
• trasduttori microfonici a condensatore.

Il tipo di trasduttore microfono dinamico

Quando usiamo il termine «microfono dinamico», di solito intendiamo un microfono dinamico a bobina mobile.

Tuttavia, il tipo di trasduttore dinamico include microfoni a nastro ea bobina mobile.

Qual è il tipo di trasduttore microfono dinamico? I microfoni dinamici convertono le onde sonore in segnali audio utilizzando l’induzione elettromagnetica. Sia i microfoni a bobina mobile che quelli a nastro hanno diaframmi conduttivi che vibrano all’interno di campi magnetici permanenti. Quando il diaframma si muove in base alla variazione della pressione sonora, viene indotto un segnale del microfono.

Nel diagramma sopra, le onde sonore colpiscono il diaframma del microfono dinamico a bobina mobile Shure SM57. L’SM57 converte il movimento del suo diaframma in energia elettrica che viene infine emessa come segnale del microfono.

Il diaframma si muove in base alla pressione applicata dalle onde sonore(energia meccanica). Attaccata al diaframma c’è una bobina conduttrice che si muove insieme al diaframma(da cui il nome microfono dinamico a bobina mobile).

Si noti che il diaframma stesso non è conduttivo.

Ci sono dei magneti all’interno della cartuccia del microfono(capsula) che forniscono un campo magnetico permanente. La bobina si inserisce in una fessura cilindrica all’interno dei magneti in modo che non tocchi i magneti ma sia fortemente influenzata dal campo magnetico.

L’induzione magnetica afferma che quando la bobina conduttrice si muove all’interno di un campo magnetico permanente, subisce un cambiamento nel flusso magnetico. Un flusso magnetico variabile nella bobina conduttrice induce una tensione attraverso di essa.

Mentre il diaframma si muove avanti e indietro in equilibrio con le onde sonore, così fa la bobina di trasmissione. Ciò induce una variazione di tensione positiva in una direzione e una variazione di tensione negativa nell’altra direzione. Questo produce un segnale elettrico AC attraverso la bobina.

Questo segnale AC viene spesso fatto passare attraverso un trasformatore step-up all’interno del microfono e emesso come segnale audio del microfono.

Nel diagramma sopra, le onde sonore colpiscono il diaframma del microfono dinamico a nastro AEA R84. L’R84 converte il movimento del suo diaframma in energia elettrica che viene infine emessa come segnale del microfono.

Il diaframma a forma di nastro(da cui il nome microfono dinamico a nastro) si muove in base alla pressione esercitata dalle onde sonore(energia meccanica).

I diaframmi a nastro sono realizzati in materiale conduttivo(spesso alluminio ondulato) e sono posti all’interno di un deflettore magnetico che fornisce un campo magnetico permanente.

L’induzione magnetica afferma che quando il diaframma del nastro conduttivo si muove all’interno di un campo magnetico permanente, subisce un cambiamento nel flusso magnetico. Un flusso magnetico variabile nel diaframma del nastro induce una tensione attraverso di esso.

Quando il diaframma si muove avanti e indietro in equilibrio con le onde sonore, viene indotta una tensione CA attraverso di esso.

Questo segnale AC viene spesso fatto passare attraverso un trasformatore step-up all’interno del microfono e emesso come segnale audio del microfono.

Il tipo di trasduttore del microfono a condensatore

Qual è il tipo di trasduttore per microfono a condensatore? I microfoni a condensatore convertono le onde sonore in segnali audio con un diaframma mobile che agisce come una piastra in un condensatore a piastre parallele a carica fissa. Quando il diaframma si muove, la distanza tra le piastre varia, modificando la capacità e creando un segnale del microfono inversamente proporzionale.

Nel diagramma sopra, le onde sonore colpiscono il diaframma del microfono a condensatore Neumann KM 184. Il KM 184 converte il movimento del suo diaframma in energia elettrica, che viene infine emessa come segnale del microfono.

Il diaframma del condensatore funge da piastra frontale in un tipo di condensatore a piastre parallele(i condensatori erano chiamati condensatori).

Si noti che alcune persone si riferiscono ai microfoni a condensatore come microfoni a condensatore.

Il condensatore a piastra parallela richiede una carica fissa per il corretto funzionamento del microfono a condensatore. Questo è spesso fornito in modo permanente da materiale elettrete(condensatori elettrete) o esternamente tramite alimentazione CC(alimentazione phantom, polarizzazione CC, ecc.).

Quando la pressione sonora variabile sposta il diaframma avanti e indietro, la distanza tra le piastre parallele cambia. Ciò provoca una fluttuazione coincidente di capacità.

In un condensatore a carica fissa, la modifica della capacità provoca una variazione inversamente proporzionale della tensione ai capi del condensatore.

Pertanto, mentre il diaframma si muove avanti e indietro attorno alla bilancia, viene creata una tensione CA attraverso le piastre.

Questa tensione CA viene prelevata dal condensatore e fatta passare attraverso un convertitore/amplificatore di impedenza(transistor o tubo a vuoto). Dopo aver attraversato alcuni altri circuiti, questo segnale elettrico viene emesso come segnale audio dal microfono.

Come funzionano i trasduttori per microfono liquido?

Come funzionano i trasduttori per microfono liquido? I microfoni liquidi funzionano come una tazza riempita con un liquido conduttivo(acqua e acido solforico). Un diaframma reagisce alle onde sonore, facendo vibrare di conseguenza un ago attaccato nel liquido conduttore. Ciò provoca variazioni casuali nella resistenza del circuito, che provoca un «segnale audio».

Come funzionano i trasduttori per microfono in carbonio?

Come funzionano i trasduttori per microfono in carbonio? Il microfono in carbonio funziona come una capsula con granuli di carbonio pressati tra due piastre metalliche(diaframma e piastra posteriore). Una tensione attraverso le piastre genera corrente attraverso i granuli. Quando il diaframma si muove, altera la pressione e la resistenza dei granuli, creando un segnale elettrico del microfono di scarsa qualità.

Come il microfono a condensatore, i due cavi elettrici del microfono a carbone sono presi da ciascuna delle piastre.

Come funzionano i microfoni a contatto/trasduttori piezoelettrici?

Come funzionano i trasduttori microfonici per microfono a contatto/piezoelettrico? I microfoni piezoelettrici/a contatto funzionano con materiali piezoelettrici(noti come cristalli) che producono tensione CA(segnali microfonici) se sottoposti a pressioni variabili. I cristalli producono segnali microfonici ad alta impedenza che corrispondono alle onde sonore che li circondano.

Come funzionano i trasduttori microfonici MEMS?

Come funzionano i trasduttori microfonici MEMS? I microfoni MEMS(MicroElectrical-Mechanical System) funzionano con un diaframma e una piastra posteriore fissa su una cavità in una piastra di base. L’intera «capsula» di un microfono MEMS è incisa su un wafer di silicio utilizzando l’elaborazione MEMS. I microfoni MEMS sono dotati di preamplificatori integrati, convertitori da analogico a digitale e uscita audio digitale.

Come funzionano i trasduttori microfonici laser?

Che cos’è un trasduttore microfonico laser? I microfoni laser funzionano con i raggi laser per rilevare le vibrazioni sonore su oggetti e superfici. Il raggio laser è diretto su una superficie e si riflette sulla superficie, ritornando a un ricevitore che converte interferometricamente il raggio in un segnale audio.

Il diaframma e la capsula: componenti chiave dei trasduttori microfonici

Il componente chiave dei trasduttori microfonici è il diaframma.

Nella stragrande maggioranza dei microfoni, il diaframma è una parte ovvia del design. Ma anche il ricevitore/sensore microfono laser sopra è considerato un diaframma.

Il diaframma del microfono si muove in base alla variazione della pressione sonora attorno ad esso. Il diaframma, direttamente o indirettamente, provoca la creazione di un segnale elettrico che coincide con il suo movimento.

I diaframmi sono disponibili in una varietà di materiali, forme, pesi, tensioni e dimensioni.

Il diaframma è fissato e funziona all’interno dell’alloggiamento del microfono. A seconda del tipo di trasduttore microfonico, il diaframma lavora all’interno del seguente «alloggiamento».

Senza un’adeguata progettazione della capsula, il diaframma del microfono sarebbe inefficace e il microfono non convertirebbe l’energia. Parliamo un po’ più in dettaglio dei diaframmi dei microfoni e dei loro alloggiamenti.

Cartuccia microfono dinamico a bobina mobile a membrana

L’unità trasduttore del microfono dinamico a bobina mobile viene spesso definita cartuccia del microfono o «capsula».

Di seguito sono mostrate due comuni cartucce microfoniche dinamiche a bobina mobile. La Shure R176 è una cartuccia che si trova nella Shure Beta 58A e la cartuccia SM58 si trova nella popolare Shure SM58.

La cartuccia a bobina mobile è composta da 5 componenti chiave:

1. Diaframma.
2. Bobina conduttrice “in movimento”.
3. Magneti ed espansioni polari.
4. Struttura ricettiva.
5. Cavi elettrici.

Diaframma ed elemento del microfono dinamico a nastro

L’unità trasduttore del microfono dinamico a bobina mobile viene spesso definita l’elemento o il «deflettore» del microfono.

Di seguito è riportata un’immagine del deflettore/elemento a nastro del microfono a nastro di punta Royer R-121:

L’elemento cintura/deflettore è costituito da 4 componenti chiave:

1. Diaframma.
2. Magneti ed espansioni polari.
3. Struttura ricettiva.
4. Cavi elettrici.

Capsula microfonica a condensatore a membrana

L’unità trasduttore del microfono a condensatore è chiamata capsula.

Di seguito sono mostrate le famose capsule microfoniche a condensatore a doppia membrana AKG CK12 e Neumann K67. Ognuna di queste capsule è stata utilizzata negli anni in numerosi microfoni di alta qualità(in particolare l’AKG C 12 e il Neumann U 67). I suoi progetti sono stati replicati anno dopo anno sin dal suo inizio(rispettivamente 1951 e 1960).

La capsula del condensatore è composta da 4 componenti chiave:

1. Diaframma(piastra frontale).
2. Piatto posteriore.
3. Struttura ricettiva.
4. Cavi elettrici.

Altri importanti componenti del microfono per una corretta conversione dell’alimentazione

Sebbene non facciano necessariamente parte dell’elemento trasduttore di un microfono, i seguenti componenti sono spesso necessari affinché un microfono funzioni correttamente come trasduttore.

Si noti che non tutti i microfoni hanno tutti i componenti di cui sopra. Tuttavia, i microfoni progettati con uno qualsiasi dei componenti di cui sopra richiedono che sia consentito loro di funzionare in modo efficace affinché il microfono funzioni in modo efficace.

Trasformatore

Molti microfoni sono costruiti con uscite accoppiate a trasformatore.

Cos’è un trasformatore? Un trasformatore è un dispositivo elettrico passivo che collega due circuiti senza collegarli fisicamente. Lo fa mediante induzione elettromagnetica, un nucleo magnetico e avvolgimenti conduttivi collegati in ciascun circuito. I trasformatori del microfono aumentano/abbassano la tensione CA, bloccano la tensione CC e regolano l’impedenza.

Un trasformatore di base è costituito da un avvolgimento primario di filo conduttore, un avvolgimento secondario di filo conduttore e un nucleo magnetico.

Ogni avvolgimento fa parte del proprio circuito. Entrambi gli avvolgimenti avvolgono il nucleo magnetico ma non si toccano. Questo effettivamente «lega» i due circuiti insieme senza collegarli fisicamente.

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Spieghiamo come funziona un trasformatore per microfono di base:

Il segnale CA dal trasduttore del microfono(e altri componenti tra il trasduttore e il trasformatore) passa attraverso l’avvolgimento primario del trasformatore.

Questo segnale del microfono CA nell’avvolgimento primario induce un campo magnetico variabile e un flusso magnetico all’interno del nucleo magnetico del trasformatore.

Questo flusso magnetico variabile induce una tensione CA relativa attraverso l’avvolgimento secondario, che fa parte del circuito di connessione di uscita del microfono.

In altre parole, avere più spire nell’avvolgimento secondario aumenterà la tensione, diminuirà la corrente e aumenterà l’impedenza(nel circuito secondario). Questo è noto come trasformatore step-up.

Al contrario, avere meno spire nell’avvolgimento secondario abbasserà la tensione, aumenterà la corrente e abbasserà l’impedenza(nel circuito secondario). Questo è noto come trasformatore step-down.

Alcuni microfoni sono progettati con trasformatori step-up, alcuni con trasformatori step-down e altri senza alcun trasformatore.

trasformatori step-up

Quando vengono utilizzati trasformatori step-up, sono in genere progettati in microfoni dinamici.

I segnali CA generati dalle cartucce a bobina mobile e dagli elementi del nastro sono in genere molto deboli. Hanno bassa tensione e bassa impedenza.

I trasformatori step-up aumentano efficacemente la tensione CA a un segnale di livello del microfono più sano senza aumentare l’impedenza del segnale a livelli inutilizzabili.

trasformatori step-down

Quando vengono utilizzati trasformatori step-down, sono in genere progettati in microfoni attivi dopo la valvola o un convertitore/amplificatore di impedenza basato su FET.

In questo caso, il trasformatore viene utilizzato per ridurre l’impedenza del segnale del microfono prima dell’uscita.

Le valvole a vuoto e alcuni microfoni FET progettano segnali di uscita di impedenza relativamente alta(troppo alta per un trasferimento efficace del segnale a preamplificatori professionali). I trasformatori step-down riducono l’impedenza di uscita a un livello utilizzabile.

I circuiti del tubo e del transistor sono progettati per fornire una «amplificazione» sufficiente al segnale in modo che sia ancora possibile ottenere una forte tensione dopo il trasformatore step-down.

Convertitore/amplificatore di impedenza(transistor e PCB)

Molti microfoni sono costruiti con convertitori/amplificatori di impedenza attiva. Questi dispositivi attivi sono solitamente realizzati con un circuito stampato(PCB) basato su un transistor ad effetto di campo(FET) o un transistor ad effetto di campo con gate di giunzione(JFET).

Che cos’è un convertitore di impedenza del microfono? Un convertitore di impedenza del microfono si riferisce generalmente a un circuito basato su transistor a stato solido che converte il segnale ad alta impedenza dall’uscita della capsula del condensatore in un segnale a tensione più alta ea impedenza inferiore per l’uscita del microfono. Si noti che i tubi a vuoto sono anche convertitori di impedenza.

Il convertitore/amplificatore di impedenza del microfono di base è costruito attorno a un FET. Discutiamo brevemente come funziona un FET:

FET e JFET sono dispositivi elettronici a semiconduttore che utilizzano un campo elettrico per controllare il flusso di corrente. Questi dispositivi attivi hanno tre terminali:

• Sorgente(S): il terminale in cui i portatori di carica(elettroni o «buchi») entrano nel canale(transistor).
• Scarico(D): il terminale in cui i portatori di carica(elettroni o «buchi») lasciano il canale(transistor).
• Gate(G): il terminale che modula la conducibilità del canale.

Prima di spiegare cosa significa effettivamente per un microfono, diamo un’occhiata al diagramma di un FET:

In un microfono attivo, il segnale(tensione CA) dalla capsula del microfono viene applicato al gate del transistor per controllare la corrente e la tensione tra la sorgente e lo scarico.

Fondamentalmente, il segnale al gate può essere pensato come un ingresso, mentre l’uscita può essere considerata come il segnale tra(e fuori) la sorgente e il drenaggio.

In questo modo di vedere le cose eccessivamente semplificato, l’ingresso del FET/JFET controlla l’uscita senza che i due circuiti siano fisicamente collegati. In questo modo, il transistor è simile al trasformatore.

L’impedenza di ingresso al gate è estremamente elevata e in grado di ricevere il segnale di impedenza molto elevata di una tipica capsula microfonica a condensatore. Nei microfoni a condensatore FET, il transistor è spesso progettato il più vicino possibile ai conduttori della capsula in modo che il segnale non si degradi attraverso i conduttori tra i due dispositivi.

Nei microfoni a nastro attivi, è generalmente presente un trasformatore step-up tra l’elemento a nastro e il transistor. Il trasformatore step-up aumenta la debole tensione del nastro e allo stesso tempo aumenta l’impedenza.

L’impedenza di uscita del FET/JFET è molto più bassa e consente al segnale audio in uscita di viaggiare attraverso il resto del circuito del microfono e attraverso i cavi del microfono fino al preamplificatore o altro dispositivo in linea.

In questo modo, il transistor funge da convertitore di impedenza.

Allo stesso modo, il transistor può fungere da «amplificatore». Utilizza la tensione CA al gate per pilotare una tensione CA maggiore tra la sorgente e lo scarico.

tubo vuoto

Prima dei transistor c’erano le valvole a vuoto(note anche come «valvole»).

La valvola a vuoto(nei microfoni a tubo) svolge essenzialmente lo stesso lavoro dei transistor a stato solido FET e JFET. Agisce per convertire l’impedenza e fornire amplificazione ai segnali AC dalle capsule microfoniche.

La valvola a vuoto «amplificatrice» più semplice è un triodo(il che significa che ha il catodo, l’anodo e la griglia).

Diamo un’occhiata alle parti di un semplice tubo a vuoto a triodo riscaldato indirettamente:

• Riscaldatore(H): il riscaldatore è alimentato esternamente e riscalda il catodo.
• Catodo(K): quando riscaldato, il catodo negativo emette elettroni che fluiscono verso l’anodo positivo.
• Anodo/piastra(A): la piastra positiva raccoglie gli elettroni che fluiscono dal catodo riscaldato.
• Griglia(G): varia il flusso di elettroni tra il catodo riscaldato e l’anodo(piastra).

Si noti che nei primi tubi «riscaldati direttamente», il riscaldatore e il catodo sono consolidati in un unico pezzo chiamato filamento.

Nei nostri tubi microfonici, applichiamo l’alimentazione esterna al riscaldatore(di solito da un’alimentazione esterna).

Il riscaldatore riscalda il catodo, che emette elettroni. Questi elettroni fluiscono all’interno del tubo a vuoto(il vuoto genera pochissima resistenza) verso l’anodo caricato positivamente(piastra).

Il segnale in uscita dalla capsula controlla la griglia. Il segnale AC proveniente da una capsula microfonica a tubo modula efficacemente la griglia del tubo a vuoto e varia il flusso di elettroni dal catodo all’anodo.

L’anodo(piastra) quindi «raccoglie» una corrente elettrica che corrisponde al segnale CA dalla capsula.

Il flusso di elettroni all’interno del tubo è generalmente più forte del segnale proveniente dalla capsula. Se pensiamo al tubo a vuoto come a un dispositivo di ingresso/uscita, vedremmo che l’uscita(dall’anodo) è un segnale CA più forte dell’ingresso(nella rete).

Si noti che questa «amplificazione» è in realtà solo modulazione, molto simile ai FET/JFET menzionati sopra.

Il tubo a vuoto funge anche da convertitore di impedenza. Il segnale di uscita(dall’anodo) ha un’impedenza inferiore rispetto al segnale di ingresso(nella rete).

Vale anche la pena notare che la valvola a vuoto emette un segnale sbilanciato con un’impedenza ancora piuttosto alta. Per questi motivi, i microfoni a valvole avranno spesso trasformatori step-down(o anche PCB a transistor) tra il tubo e l’uscita.

Alimentazione elettrica

Alcuni microfoni(soprattutto quelli a tubo) richiedono alimentatori esterni dedicati per funzionare correttamente.

I microfoni attivi di tutti i tipi richiedono una qualche forma di alimentazione per funzionare correttamente. Può essere alimentazione phantom, tensione di polarizzazione CC, alimentazione USB o altri tipi di alimentazione. In altre parole, l’alimentatore non deve essere sempre un’unità stand-alone dedicata.

Convertitore da analogico a digitale

Nei microfoni digitali come i microfoni USB, ci sono convertitori da analogico a digitale(ADC).

Questi ADC sono necessari all’interno del design del microfono affinché il microfono emetta l’audio digitale.

Il microfono come trasduttore è analogico. Converte l’energia delle onde meccaniche in energia elettrica(segnali audio analogici).

Un ADC, come qualsiasi altra interfaccia audio digitale, converte il segnale elettrico dal microfono negli 1 e 0 dell’audio digitale.

attacco di uscita

Infine, un microfono non sarebbe completo senza una connessione di uscita. Dopo la conversione di potenza; regolazione dell’impedenza del segnale; amplificazione; e bilanciamento, il segnale del microfono deve essere inviato fuori dal microfono e in un dispositivo in grado di utilizzarne efficacemente il segnale(preamplificatore, mixer, interfaccia, ecc.).

Esistono molti tipi di connessioni per l’uscita del microfono. Le connessioni di uscita comuni includono:

• XLR
• TAF5
• USB
• TRS
• TRRS

La conversione dell’energia(dall’onda sonora al segnale di uscita del microfono)

Abbiamo discusso le basi di come funzionano i microfoni e i componenti che consentono loro di funzionare correttamente. Ora diamo un’occhiata ai diversi tipi di trasduttori microfonici e quali componenti utilizzano per convertire la potenza.

Con ogni tipo di microfono, inizieremo dall’onda sonora e termineremo all’uscita del microfono.

I tipi di microfono di cui parleremo qui sono:

Conversione di potenza in un microfono dinamico a bobina mobile

• onda sonora
• Membrana mobile e bobina di azionamento.
• Conversione dell’energia delle onde meccaniche in energia elettrica per induzione elettromagnetica.
• Il segnale del microfono aumenta di livello mentre passa attraverso un trasformatore step-up.
• Il segnale del microfono viene emesso tramite la connessione di uscita del microfono.

onda sonora

Come sempre, l’energia meccanica inizia come un’onda sonora.

Cartuccia/membrana a bobina mobile(trasduttore)

L’onda sonora fa vibrare il diaframma nella cartuccia a bobina mobile. C’è una bobina conduttrice attaccata al diaframma che oscilla insieme ad esso.

Questa bobina conduttrice si muove all’interno di un taglio cilindrico all’interno di un magnete permanente. Quando la bobina si muove all’interno del campo magnetico, sperimenta un flusso magnetico fluttuante.

Attraverso l’induzione elettromagnetica, viene creata una forza elettromagnetica(tensione) attraverso la bobina. Poiché la bobina si muove avanti e indietro con il diaframma, viene creata una tensione CA.

Viene prelevato un filo da ciascuna estremità della bobina per spostare questo segnale del microfono CA più in basso lungo la linea di alimentazione.

trasformatore elevatore

A volte c’è un trasformatore step-up all’uscita di un microfono a bobina mobile.

Il trasformatore boost serve principalmente per aumentare la tensione CA o la potenza del segnale del microfono.

Un trasformatore step-up è utile per portare l’impedenza del segnale a livelli microfonici professionali. Spesso l’impedenza del segnale della cartuccia a bobina mobile è troppo bassa.

Inoltre, il trasformatore protegge il microfono da tensioni continue come l’alimentazione phantom. Tuttavia, questa tensione CC non danneggerebbe necessariamente la robusta cartuccia/diaframma del microfono dinamico.

attacco di uscita

Infine, il microfono deve avere un’uscita. Spesso i microfoni dinamici a bobina mobile hanno un’uscita XLR a 3 pin. Tuttavia, ci sono molte altre possibilità a seconda dello scopo del microfono.

Conversione di potenza in un microfono dinamico a nastro

• onda sonora
• Diaframma conduttivo mobile.
• Conversione dell’energia delle onde meccaniche in energia elettrica per induzione elettromagnetica.
• Il segnale del microfono viene amplificato da un preamplificatore attivo(nastro attivo) o aumentato di livello mentre passa attraverso un trasformatore step-up(nastro passivo).
• Il segnale del microfono viene emesso tramite la connessione di uscita del microfono.

Microfono dinamico a nastro con uscita accoppiata a trasformatore

onda sonora

Come sempre, l’energia meccanica inizia come un’onda sonora.

Elemento a membrana/nastro

Le onde sonore applicano una pressione variabile sul diaframma sottile, ondulato e a forma di nastro del microfono a nastro.

Il diaframma dinamico del nastro oscilla avanti e indietro all’interno di una struttura a deflettore magnetico. A differenza della sua controparte a bobina mobile, il diaframma del nastro stesso è conduttivo.

Quando la striscia conduttrice si muove avanti e indietro, subisce un flusso magnetico variabile nel campo magnetico permanente. L’induzione elettromagnetica induce una tensione attraverso il nastro.

I conduttori vengono prelevati da ciascuna estremità della striscia di conduttori e instradati per creare un circuito con l’avvolgimento primario del trasformatore elevatore.

trasformatore elevatore

I diaframmi a nastro emettono naturalmente segnali microfonici molto deboli(tensioni CA). Pertanto, è necessario un trasformatore step-up per aumentare la tensione a livelli utilizzabili.

Fortunatamente, anche l’impedenza del segnale del nastro grezzo è bassa, e quindi l’aumento del segnale non spinge l’impedenza a livelli inutilizzabili.

attacco di uscita

Dall’uscita(avvolgimento secondario) del trasformatore elevatore, il segnale viene emesso attraverso l’uscita del microfono.

In generale, i microfoni a nastro hanno uscite XLR, sebbene sia possibile qualsiasi connettore di uscita.

Microfono dinamico attivo a nastro con circuito di uscita FET senza trasformatore

Alcuni microfoni a nastro sono attivi con circuiti a stato solido. I microfoni a nastro attivi emetteranno segnali più forti rispetto alle loro controparti passive(descritte sopra).

Diamo un’occhiata più da vicino a come un tipico microfono a nastro FET attivo converte la potenza:

onda sonora

Come sempre, l’energia meccanica inizia come un’onda sonora.

Elemento a membrana/nastro

L’elemento membrana/nastro funge da trasduttore nello stesso modo descritto sopra.

trasformatore elevatore

Il trasformatore boost in un microfono a nastro attivo in genere farà la maggior parte del lavoro pesante in termini di «amplificazione» del segnale.

Questi trasformatori step-up hanno rapporti tra avvolgimento secondario e avvolgimento primario più elevati rispetto alle loro controparti passive.

Un rapporto elevato significa che il trasformatore step-up aumenterà significativamente la tensione a scapito di un ulteriore aumento dell’impedenza(spesso troppo alta).

Convertitore/amplificatore di impedenza e alimentazione CC

Il convertitore/amplificatore di impedenza attiva è solitamente un circuito stampato basato su transistor.

Il segnale del trasformatore step-up ha un’impedenza molto alta. Il circuito del convertitore di impedenza riduce efficacemente questa impedenza a livelli utilizzabili senza degradare il segnale o influenzare notevolmente la potenza del segnale.

La maggior parte delle volte, la potenza richiesta dal circuito attivo è fornita dall’alimentazione phantom(dal preamplificatore microfonico o da un’alimentazione phantom separata).

attacco di uscita

Come sempre, abbiamo bisogno di una connessione di uscita standardizzata affinché il microfono emetta il suo segnale.

Microfono a nastro a tubo dinamico attivo con uscite accoppiate a trasformatore

onda sonora

Come sempre, l’energia meccanica inizia come un’onda sonora.

Elemento a membrana/nastro

L’elemento membrana/nastro funge da trasduttore nello stesso modo descritto sopra.

trasformatore elevatore

Come con il microfono a nastro FET attivo menzionato sopra, il microfono a nastro a tubo fa molto affidamento sul suo trasformatore step-up per aumentare il segnale debole dal suo elemento a nastro.

Tubo a vuoto e alimentazione CC

Il tubo a vuoto agisce essenzialmente come un’altra fase di «amplificazione» mentre svolge anche la funzione di conversione dell’impedenza.

L’uscita del trasformatore step-up viene inviata alla griglia del tubo a vuoto e modula il segnale di uscita più forte e a bassa impedenza.

I tubi a vuoto generalmente richiedono la propria unità di alimentazione separata per funzionare correttamente.

Si noti che l’uscita del tubo a vuoto è sbilanciata.

trasformatore di riduzione

Questo sembra controintuitivo, ma di solito è necessario un trasformatore step-down all’uscita del microfono a nastro tubolare per «modificare» il segnale. Agisce per bilanciare il segnale e regolare l’impedenza.

attacco di uscita

Dal trasformatore step-down, il segnale esce dal microfono attraverso la connessione di uscita.

Con i microfoni a tubo(compresi i microfoni a tubo a nastro), la connessione di uscita è spesso collegata all’alimentatore. Per questo motivo, un numero elevato di pin sono connettori di uscita comuni per i microfoni a valvole.

Conversione di potenza in un microfono a condensatore

• onda sonora
• Spostamento del diaframma in un condensatore a piastre parallele a carica fissa.
• Conversione dell’energia delle onde meccaniche in energia elettrica. Il segnale elettrico è inversamente proporzionale alla distanza tra le piastre parallele.
• Il segnale del microfono viene immediatamente amplificato e la sua impedenza convertita(tramite transistor o tubo).
• Il segnale del microfono viene emesso tramite la connessione di uscita del microfono.

Microfono a condensatore electret con circuito di uscita FET senza trasformatore

onda sonora

Come sempre, l’energia meccanica inizia come un’onda sonora.

Capsula/diaframma del condensatore a elettrete

Le onde sonore applicano una pressione variabile al diaframma.

Il materiale electret di una capsula del condensatore electret gli conferisce una carica permanente. Pertanto, il condensatore a piastre parallele non richiede una polarizzazione esterna per funzionare correttamente.

Quando il diaframma si muove, la capacità della capsula a piastre parallele cambia.

Poiché la carica è costante, qualsiasi variazione di capacità provoca una carica inversamente proporzionale in tensione.

Quindi, mentre il diaframma oscilla, la capsula genera una tensione CA.

Questa tensione CA ha un’impedenza incredibilmente alta, quindi è necessario un convertitore di impedenza immediatamente dopo la capsula. L’invio di questo segnale ad alta impedenza su qualsiasi lunghezza di cavo significativa ne degraderà notevolmente la qualità.

Convertitore/amplificatore di impedenza del transistor e alimentazione CC

Il convertitore/amplificatore di impedenza di un microfono electret è il componente attivo e richiede alimentazione esterna.

Questo è solitamente fornito da una qualche forma di alimentazione di polarizzazione CC, sebbene l’alimentazione phantom sia un metodo comune per alimentare i microfoni da studio a elettrete.

I transistor(FET e JFET) sono le parti principali dei convertitori di impedenza attiva. Ricevono il segnale ad alta impedenza dalla capsula dell’elettrete e lo usano per modulare un segnale più forte ea bassa impedenza alle loro uscite.

attacco di uscita

Poiché i microfoni a elettrete sono così popolari, ci sono molte connessioni di uscita diverse.

I microfoni Electret si trovano nel mercato dei microfoni da studio professionali, ma si trovano anche in cravatte, cuffie, telefoni cellulari, laptop e molti dispositivi elettronici di consumo.

Vero microfono a condensatore con circuito di uscita FET senza trasformatore

onda sonora

Come sempre, l’energia meccanica inizia come un’onda sonora.

Capsula/membrana condensatore e alimentazione DC

La «vera» capsula del condensatore a piastre parallele del condensatore funziona secondo gli stessi principi di tutte le altre capsule del condensatore. La differenza tra le vere capsule del condensatore rispetto alle capsule electret è che le vere capsule del condensatore sono distorte esternamente.

I veri condensatori sono generalmente di qualità da studio e quindi progettati per funzionare con alimentazione phantom. Tuttavia, alcuni possono essere alimentati con altri mezzi.

Convertitore/amplificatore di impedenza del transistor e alimentazione CC

Come con il microfono a condensatore a elettrete attivo, il vero condensatore ha un circuito stampato incentrato su una sorta di transistor di conversione dell’impedenza(FET/JFET).

Il percorso verso il convertitore di impedenza dovrebbe avvenire il più vicino possibile alla capsula in modo che il segnale non abbia alcuna possibilità di degradarsi mentre viaggia lungo i cavi.

L’ingresso ad alta impedenza(gate) del FET accetta il segnale dalla capsula del microfono. Questo segnale modula quindi un segnale più forte, a bassa impedenza, che il microfono alla fine emetterà.

L’alimentazione del circuito attivo di un vero condensatore si ottiene con gli stessi mezzi della polarizzazione della sua capsula.

attacco di uscita

I veri condensatori si trovano principalmente in studio, quindi i connettori di uscita XLR sono comuni(sono uno standard per l’uso con alimentazione phantom). Tuttavia, puoi avere tutti i tipi di connessioni di uscita con veri microfoni a condensatore.

Vero microfono a condensatore con uscita accoppiata a trasformatore

onda sonora

Come sempre, l’energia meccanica inizia come un’onda sonora.

Capsula/membrana condensatore e alimentazione DC

La vera capsula del diaframma del condensatore è polarizzata esternamente. Funziona secondo gli stessi principi di qualsiasi altra capsula del condensatore.

La maggior parte delle volte, questa tensione di polarizzazione esterna è fornita dall’alimentazione phantom, sebbene ci siano altri modi per farlo.

Convertitore/amplificatore di impedenza del transistor e alimentazione CC

Il circuito attivo si basa su un FET/JFET e funge da convertitore di impedenza e amplificatore per il segnale ad alta impedenza proveniente dalla capsula.

trasformatore di riduzione

In molti dei primi microfoni FET, venivano utilizzati trasformatori step-down per bilanciare e regolare ulteriormente l’impedenza del segnale di uscita.

attacco di uscita

Entrambe le connessioni di uscita possono essere utilizzate con un vero microfono a condensatore. Tuttavia, a causa della sua popolarità nelle applicazioni da studio, i suoi connettori di uscita sono in genere di tipo XLR.

Microfono a condensatore tubolare con uscita accoppiata a trasformatore

onda sonora

Come sempre, l’energia meccanica inizia come un’onda sonora.

Capsula/membrana condensatore e alimentazione DC

La capsula del condensatore a tubo polarizzato esterno funziona secondo gli stessi principi di qualsiasi altra capsula del condensatore a piastre parallele.

Utilizza un carico fisso e una piastra del diaframma mobile. Quando il diaframma si muove, la distanza tra le piastre cambia, provocando un corrispondente cambiamento di capacità. Questa variazione di capacità provoca una variazione inversamente proporzionale della tensione attraverso le piastre.

La tensione CA attraverso le piastre è effettivamente il nostro segnale del microfono trasdotto.

La polarizzazione esterna della capsula del condensatore a tubo è tipicamente fornita dalla stessa alimentazione che riscalda il tubo a vuoto.

Convertitore/amplificatore di impedenza del tubo a vuoto e alimentazione CC

Il tubo a vuoto è comunemente considerato il predecessore del transistor. Nei microfoni, forniscono essenzialmente la stessa funzione.

L’alimentatore esterno riscalda il tubo, provocando un flusso di elettroni tra il suo catodo e l’anodo.

Il segnale di uscita ad alta impedenza dalla capsula guida la griglia del tubo a vuoto. La griglia di un tubo a vuoto altera efficacemente il flusso di elettroni dal catodo all’anodo.

Pertanto, il segnale ad alta impedenza dalla capsula modula un segnale più forte ea bassa impedenza che esce dal tubo.

Il tubo «amplifica» efficacemente il segnale mentre emette un segnale utilizzabile a bassa impedenza.

Per riscaldare il tubo sono spesso necessari alimentatori esterni.

trasformatore di riduzione

Un trasformatore step-down fa solitamente parte del design di un microfono a valvole. Questi trasformatori migliorano ulteriormente l’impedenza del segnale bilanciando anche il segnale sbilanciato proveniente dal tubo.

attacco di uscita

Poiché il microfono a tubo richiede alimentazione esterna, la sua connessione di uscita è spesso ad alta intensità di pin e si collega a un’unità di alimentazione dedicata.

Vero microfono a condensatore con circuito di uscita FET senza trasformatore

onda sonora

Come sempre, l’energia meccanica inizia come un’onda sonora.

Capsula/membrana condensatore e alimentazione DC

La capsula del microfono a condensatore tubolare è polarizzata esternamente attraverso l’alimentazione del microfono.

A parte questo, funziona secondo gli stessi principi di qualsiasi altra capsula del condensatore.

Convertitore/amplificatore di impedenza del tubo a vuoto e alimentazione CC

Il tubo a vuoto funziona proprio come il tubo in un microfono a tubo accoppiato a trasformatore.

Convertitore/amplificatore di impedenza PCB attivo

Invece di un trasformatore di uscita, questi microfoni a tubo utilizzano circuiti attivi per bilanciare il segnale di uscita del tubo. Questi circuiti regolano anche l’impedenza del segnale.

Si noti che la maggior parte della conversione dell’impedenza e del «boost» del segnale è fornita dalla valvola. Ciò consente ai microfoni a valvole PCB di conservare gran parte del loro «suono valvolare».

attacco di uscita

Poiché il microfono a tubo richiede alimentazione esterna, la sua connessione di uscita è spesso ad alta intensità di pin e si collega a un’unità di alimentazione dedicata.

Conversione di potenza su un microfono USB

• onda sonora
• diaframma mobile.
• Conversione dell’energia delle onde meccaniche in energia elettrica mediante induzione elettromagnetica o principi elettrostatici(dinamici o a condensatore).
• Il segnale elettrico del microfono analogico viene convertito in un segnale audio digitale tramite un convertitore analogico-digitale interno.
• Il segnale del microfono digitale viene emesso tramite la connessione di uscita del microfono.

Microfono USB semplificato

onda sonora

Come sempre, l’energia meccanica inizia come un’onda sonora.

trasduttore

Sebbene i microfoni USB in genere abbiano capsule a condensatore electret, possono funzionare con qualsiasi tipo di trasduttore microfonico.

I trasduttori funzionerebbero secondo gli stessi principi di qualsiasi altro trasduttore dello stesso tipo.

Convertitore da analogico a digitale

I microfoni USB(e altri microfoni digitali) hanno ADC interni. Questo è ciò che consente loro di essere microfoni USB.

L’ADC preleva la tensione CA analogica dal trasduttore del microfono e la converte in audio digitale.

La profondità di bit e la frequenza di campionamento del convertitore sono elencate nella scheda delle specifiche del microfono.

attacco di uscita

Come suggerisce il nome, i microfoni USB hanno uscite USB. Queste uscite hanno 4 pin:

• Il pin 1 fornisce +5 VDC. Viene utilizzato per alimentare l’ADC e tutti i convertitori di impedenza che possono essere utilizzati nella capsula del microfono.
• Il pin 2 trasporta i dati -.
• Il pin 3 porta Data +.
• Il pin 4 funge da massa.

Domande correlate

Come funzionano i microfoni wireless? I microfoni wireless funzionano per convertire il suono in audio allo stesso modo dei microfoni cablati. Ciò che rende un microfono wireless è il trasmettitore wireless, che prende il segnale del microfono trasmesso, lo integra in un segnale radio a frequenza singola e lo invia in modalità wireless a un ricevitore compatibile.

Un microfono ha bisogno di elettricità? Sebbene tutti i microfoni emettano segnali elettrici CA(segnali microfonici), non tutti i microfoni richiedono elettricità per funzionare. I microfoni passivi(come la dinamica a bobina mobile) non richiedono alimentazione esterna per funzionare correttamente. Al contrario, i microfoni attivi(come i condensatori) hanno bisogno di elettricità per funzionare.