I microfoni amplificano il suono e/o l’audio?
Probabilmente tutti abbiamo sentito il suono di un microfono amplificato attraverso gli altoparlanti. Questo accade spesso in tutti i tipi di eventi e spettacoli. Un oratore o un cantante proietterà la propria voce in un microfono e la sua voce verrà inviata attraverso gli altoparlanti a un volume molto più alto. Come viene amplificato questo audio?
Un microfono amplifica il suono? Un microfono è un trasduttore che converte il suono(energia dell’onda meccanica) in audio(energia elettrica). I microfoni non amplificano il suono, di per sé, sebbene alcuni microfoni amplifichino il segnale audio dalle loro capsule prima che il segnale venga emesso. Tutti i microfoni richiedono un’amplificazione aggiuntiva oltre alla propria.
In questo articolo, daremo uno sguardo approfondito a come, se non del tutto, un microfono amplifica il suo segnale. Esamineremo anche gli stadi di guadagno tipici per ottenere un segnale dal microfono per produrre il suono da un altoparlante.
Differenza tra suono e audio
Prima di entrare nel vivo di questo articolo, discutiamo la differenza tra suono e audio.
Qual è il suono? Il suono è una vibrazione che oscilla all’interno di un mezzo e cambia la pressione lungo un’onda all’interno di quel mezzo(gas, liquido o solido). È una forma di energia ondulatoria meccanica. Le onde sonore udibili hanno frequenze comprese tra 20 Hz e 20.000 Hz.
Che cos’è l’audio? L’audio è la rappresentazione elettrica del suono. L’audio analogico è il suono rappresentato come tensione CA, mentre l’audio digitale è il suono rappresentato in numeri binari(frequenza di campionamento e profondità di bit). Il suono può essere convertito in audio tramite i microfoni e l’audio può essere convertito in suono tramite gli altoparlanti.
I microfoni convertono il suono in audio
Come accennato nei paragrafi iniziali, i microfoni sono trasduttori che convertono il suono in audio.
Indipendentemente dal tipo di microfono, la funzione di un microfono è quella di prendere le onde sonore al suo diaframma e produrre un segnale audio corrispondente.
I microfoni hanno diaframmi, che sono membrane sottili e mobili nella capsula del microfono. Questi diaframmi sono molto sensibili e si muovono in reazione alla variazione della pressione sulle loro superfici. Questa pressione variabile è in gran parte causata dalle onde sonore.
Quando il diaframma si muove, viene prodotta una tensione CA corrispondente. Questa tensione CA è essenzialmente il segnale del microfono. I microfoni dinamici(sia a bobina mobile che dinamici) producono questo segnale attraverso l’induzione elettromagnetica, mentre i microfoni a condensatore producono l’audio attraverso principi elettrostatici.
A seconda del tipo e del design del microfono, questo segnale verrà ulteriormente elaborato attraverso altri componenti prima di essere emesso dal microfono.
In che modo i microfoni amplificano l’audio?
Vorrei iniziare a rispondere a questa domanda affermando che i microfoni emettono segnali di livello del microfono. I segnali di livello del microfono sono tensioni CA relativamente basse, che vanno da circa 1 a 100 millivolt(da -60 dBV a -40 dBV).
Indipendentemente dal fatto che il microfono fornisca o meno l’amplificazione, un segnale del microfono richiederà un’amplificazione maggiore. I preamplificatori per microfono vengono utilizzati per portare i segnali di livello del microfono al livello di linea per l’uso in apparecchiature audio professionali. Gli amplificatori di potenza vengono quindi utilizzati per amplificare i segnali a livello di linea per pilotare correttamente gli altoparlanti.
Con quel preambolo fuori mano, alcuni microfoni forniscono l’amplificazione.
Cos’è l’amplificazione? L’amplificazione è il processo per aumentare la forza o la potenza di un segnale. Gli amplificatori possono essere dispositivi naturali o artificiali. Con i microfoni, questi amplificatori sono artificiali e si concentrano sull’amplificazione del segnale elettrico dai microfoni.
Per rimanere fedele al termine «amplificatore», menzionerò qui che alcuni componenti del microfono non sono veri amplificatori, sebbene siano progettati per aumentare l’intensità del segnale. Farò distinzioni di seguito.
Invece di elencare i potenziali amplificatori che si possono trovare in un microfono, diamo un’occhiata a qualsiasi componente che causa un aumento della potenza del segnale:
Diamo un’occhiata a ciascuno di questi in modo più dettagliato:
convertitore di impedenza
I convertitori di impedenza non sono veri amplificatori. Piuttosto, prendono un segnale di ingresso di livello inferiore e lo usano per modulare un segnale di uscita di livello superiore.
I convertitori di impedenza sono componenti necessari che si trovano immediatamente dopo le capsule dei microfoni a condensatore. Le capsule del condensatore emettono segnali con valori di impedenza incredibilmente alti. Affinché questi segnali viaggino senza un degrado significativo, è fondamentale che passino attraverso un convertitore di impedenza.
Il convertitore di impedenza di un microfono è essenzialmente un transistor ad effetto di campo(FET). Forse il tipo più comune di FET nei microfoni è il transistor a effetto di campo del gate di giunzione(JFET).
- G: porta.
- S: fonte.
- D: scolare.
I convertitori di impedenza del microfono ricevono il segnale a basso livello e ad alta impedenza dalla capsula del microfono al suo gate.
Questo segnale di gate AC viene utilizzato per modulare la corrente(e la tensione) tra la sorgente e lo scarico.
Possiamo pensare che il convertitore di impedenza FET abbia un ingresso(gate) e un’uscita(source-drain). Il segnale di ingresso è a basso livello e ad alta impedenza e pilota un segnale di uscita più forte con un’impedenza inferiore.
In questo modo, il convertitore di impedenza funge da «amplificatore» del segnale del microfono(sebbene non sia un vero amplificatore).
tubo vuoto
Le valvole a vuoto non sono veri amplificatori. Piuttosto, prendono un segnale di ingresso di livello inferiore e lo usano per modulare un segnale di uscita di livello superiore.
Prima che la tecnologia a transistor arrivasse ai microfoni(negli anni ’60), le valvole a vuoto erano necessarie per convertire l’impedenza del segnale del microfono e fornire un aumento della potenza del segnale.
I tubi a vuoto erano, e sono tuttora, utilizzati nei microfoni e in particolare nei microfoni a condensatore. Sono posti subito dopo le capsule di questi microfoni per ridurre l’impedenza del segnale e aumentare il segnale.
Un ulteriore vantaggio delle valvole a vuoto è il famoso «suono valvolare» apprezzato da molti audiofili, musicisti e ingegneri del suono.
- H: riscaldatore.
- K: catodo.
- R: anodo.
- G: griglia
Fondamentalmente, un tubo a vuoto funziona così: un catodo viene riscaldato(direttamente o indirettamente da un riscaldatore). Quando il catodo si riscalda, emette elettroni, che vengono attratti dalla piastra anodica caricata positivamente.
Pertanto, riscaldando il tubo a vuoto, viene prodotta una corrente elettrica all’interno del tubo che fuoriesce dal tubo.
Il segnale dalla capsula del microfono viene inviato alla griglia del tubo del triodo e controlla il flusso di elettroni dal catodo all’anodo.
La griglia accetterà il segnale ad alta impedenza di basso livello dalla capsula e lo utilizzerà per modulare la corrente di impedenza più forte e inferiore tra l’anodo e il catodo.
Se pensiamo a un tubo a triodo per microfono in termini di ingressi/uscite, sviluppiamo quanto segue:
La griglia è l’ingresso che riceve il segnale dalla capsula.
Il catodo-anodo è l’uscita, che emette un segnale più forte che corrisponde al segnale di ingresso nella rete.
Quindi la valvola a triodo funge da «amplificatore» del segnale del microfono(sebbene non sia un vero amplificatore).
trasformatore elevatore
I trasformatori step-up non sono veri amplificatori. Piuttosto, sono dispositivi passivi che prendono un segnale di ingresso di livello inferiore e lo utilizzano per modulare un segnale di uscita di livello superiore.
I trasformatori step-up si trovano in genere alle uscite dei microfoni dinamici.
Attraverso i principi dell’induzione elettromagnetica, il trasformatore step-up prende la tensione CA in un circuito e provoca una tensione CA «potenziata» o aumentata in un circuito secondario. Entrambi i circuiti sono indipendenti e condividono solo il trasformatore comune.
I trasformatori hanno l’ulteriore vantaggio di bloccare la tensione CC.
- MC: nucleo magnetico.
- P: avvolgimento primario.
- S: avvolgimento secondario.
Un trasformatore elevatore è costituito da un nucleo magnetico centrale e due avvolgimenti conduttivi noti come avvolgimenti primari e secondari.
L’avvolgimento primario fa parte del circuito elettrico che trasporta il segnale audio convertito dal diaframma. Poiché l’avvolgimento è avvolto attorno al nucleo magnetico, qualsiasi tensione CA(segnale del microfono) che lo attraversa provocherà un flusso magnetico variabile all’interno del nucleo. Ciò è dovuto all’induzione elettromagnetica.
Al variare del flusso magnetico nel nucleo magnetico, l’induzione elettromagnetica provoca la creazione di una tensione CA attraverso l’avvolgimento secondario, che avvolge anche il nucleo.
Quindi l’avvolgimento primario fa parte del circuito che trasporta il segnale del microfono dalla capsula del microfono. Questa tensione CA provoca un flusso magnetico variabile nel nucleo magnetico, che, a sua volta, induce una tensione attraverso l’avvolgimento secondario. L’avvolgimento secondario completa un circuito con l’uscita del microfono.
Il rapporto di spire nelle bobine è uguale al rapporto di tensione nelle bobine. Un trasformatore elevatore ha meno spire nella bobina primaria rispetto alla bobina secondaria.
Come semplice esempio, se la bobina primaria ha la metà del numero di giri della bobina secondaria, la tensione sul secondario sarà il doppio di quella del primario.
Se osserviamo un trasformatore step-up, possiamo pensare all’avvolgimento primario come ingresso e all’avvolgimento secondario come uscita. Detto questo, il trasformatore funge solo da «amplificatore», sebbene non sia un vero amplificatore.
Scheda a circuito stampato
I circuiti stampati(PCB) possono contenere veri amplificatori che effettivamente aumentano il guadagno di un segnale di ingresso e producono un segnale di uscita più forte.
Tipici stadi di guadagno dai microfoni agli altoparlanti
Che si tratti di pseudo amplificazione o amplificazione reale, i microfoni amplificano solo un po’ i loro segnali. All’uscita di qualsiasi microfono, il segnale è ancora al livello del microfono.
Affinché questo segnale relativamente debole sposti i coni degli altoparlanti e venga ascoltato, abbiamo bisogno di una maggiore amplificazione oltre il microfono stesso.
Per semplificare questi livelli con valori, ho fornito la seguente tabella:
| Potenza del segnale di fascia bassa | Potenza del segnale di fascia alta | |
|---|---|---|
| livello del microfono | -60 dBV(1 millivolt) | -20 dBV(100 millivolt) |
| livello di linea | -10 dBV(316 millivolt) Nominale(consumatore) | +4 dBu = 1,78 dBV(1,23 millivolt) Nominale(professionale) |
Il livello dell’altoparlante ha molta più tensione rispetto al livello di linea, ma dipende fortemente dall’impedenza e dalle dimensioni dell’altoparlante che stai guidando.
Ora diamo un’occhiata ad alcuni tipici stadi di guadagno per portare il segnale del microfono al livello dell’altoparlante:
Nei seguenti esempi, metterò in grassetto i dispositivi che forniscono amplificazione al segnale.
- Microfono
- Altoparlante attivo(ingresso microfono)
- Microfono
- Preamplificatore microfono(ingresso microfono)
- Mixing desk o interfaccia
- Amplificatore di potenza(ingresso di linea)
- altoparlante passivo
- Microfono
- Preamplificatore microfono(ingresso microfono)
- Mixing desk o interfaccia
- Altoparlante attivo(ingresso di linea)
Domande correlate
Cosa succede quando metti un microfono accanto a un altoparlante? Se un microfono invia un segnale a un altoparlante e quell’altoparlante emette un suono, posizionare il microfono accanto all’altoparlante potrebbe causare un feedback. Il segnale dal microfono viene inviato all’altoparlante, che rimanda il suono al microfono e lo sovraccarica, causando un terribile ronzio/stridio noto come feedback.
È possibile utilizzare un altoparlante come microfono? Sì, un altoparlante può essere trasformato in un microfono semplicemente invertendo il flusso del segnale. In tal modo, il cono dell’altoparlante agirà sostanzialmente come un enorme diaframma dinamico a bobina mobile. Quando il cono si muove, dall’altoparlante viene emesso un segnale audio corrispondente.
