Co je mikrofonní membrána? (Podrobný průvodce) – Můj nový mikrofon

Membrány mají se zvukem mnoho společného. „Zpíváme z membrány“ našeho fyzického těla, a pokud zpíváme do mikrofonu, jsme v interakci i s membránou! Každý praktický mikrofon má membránu a porozumění membránám je pro zvládnutí mikrofonu klíčové.

Co je to tedy mikrofonní membrána? Membrána mikrofonu je tenká membrána, která se pohybuje v reakci na změny vnějšího akustického tlaku. Membrána mikrofonu je klíčovou součástí převodníku při přeměně akustické energie na energii elektrickou. Tři hlavní typy membrán jsou pohyblivá cívka, pásková membrána a kondenzátorová membrána.

Když mluvíme o mikrofonních membránách, můžeme toho probrat hodně. Tento článek se bude podrobně zabývat oblíbenými typy membrán a úvahami, které při práci s mikrofonními membránami bereme v úvahu!

Co je mikrofonní membrána?

Jak již bylo zmíněno, mikrofonní membrána je tenká membrána, která se pohybuje v reakci na změny akustického tlaku (zvukové vlny). Membrána je rozhodující složkou v receptuře mikrofonu. Ve skutečnosti by mikrofon bez pohyblivé membrány nemohl plnit svou funkci snímače. Souběžný pohyb membrány se zvukovým tlakem je prvním krokem při změně akustické energie na elektrickou.

Protože je membrána mikrofonu tak tenká, pozorujeme, že má pouze dvě strany. Pohyb membrány je podmíněn rozdílem akustického tlaku mezi jejími dvěma stranami.

Membrána mikrofonu je součástí větší jednotky v mikrofonech, která se nazývá kapsle. Konstrukce kapsle má pro výkon mikrofonu zásadní význam. Kapsle je v konečném důsledku měničovým prvkem každého mikrofonu.

Pokud si chcete o kapslích mikrofonů přečíst více do hloubky, přečtěte si můj článek Co je mikrofonní kapsle? (Plus 3 nejoblíbenější kapsle).

Uspořádání kapsle a membrány tvoří velkou část charakteristického zvuku mikrofonu. Frekvenční odezva, citlivost a polární obraz jsou některé z charakteristik, které jsou do značné míry určeny konstrukcí kapsle a membrány.

Existují tři hlavní typy mikrofonních membrán:

1. Membrána s pohyblivou cívkou (dynamická)
2. Membrána s páskem (dynamická)
3. Membrána s přední deskou (kondenzátorová)

Jak se pohybuje membrána?

Membrány mikrofonů jsou extrémně tenké (některé méně než 5 mikronů). Díky této tenkosti jsou velmi citlivé na vibrující molekuly vzduchu ve svém bezprostředním okolí. „Bombardování“ vibrujících molekul vzduchu na membránu mikrofonu způsobuje její pohyb. Tento mechanický pohyb dovnitř a ven z klidové polohy se následně převádí na elektrické střídavé napětí (zvukový signál).

Membrána mikrofonu se pohybuje v závislosti na rozdílu akustického tlaku mezi jejími dvěma stranami. Pokud je jedna strana „bombardována“ molekulami vzduchu více než druhá, bude tato strana tlačena dovnitř. Pokud jsou obě strany vystaveny stejnému tlaku, zůstane membrána na místě.

Jiný způsob, jak vysvětlit pohyb membrány, je podívat se na jednoduchou sinusoidu. V sinusoidě máme nulové body, vrcholy a dna.

Když sinusoida prochází vzduchem, ovlivňuje molekuly vzduchu, kterými prochází. Totéž se děje, když zvuková vlna dosáhne membrány.

• V době svých vrcholů způsobuje sinusová vlna maximální stlačení membrány a tlačí ji dovnitř.
• V době svého koryta způsobuje sinusová vlna na membráně maximální ztenčení, čímž se membrána vytahuje ven.
• A v nulových bodech sinusovka nezpůsobuje pohyb membrány.

Zvukové vlny se šíří rychlostí 343 m/s a jsou nekonečně složitější než jednoduchá sinusovka. Jak si dokážete představit, způsobují rychlé kmitání membrány v reakci na vnější změny akustického tlaku!“

Membrány mikrofonů jsou navrženy tak, aby se pohybovaly v souladu se změnami akustického tlaku, aby mohly produkovat zvukový signál, který je přesnou reprezentací zvuku probíhajícího v okolí mikrofonu.

Srovnání membrán mikrofonu, reproduktoru a hrudního koše

Při vysvětlování věcí jsou někdy užitečná přirovnání. Asi všichni známe membránu reproduktoru a zcela jistě máme v těle hrudní membrány. Membrána mikrofonu je těmto dvěma membránám podobná! Vysvětlím vám to.

Membrána reproduktoru

Reproduktory, stejně jako mikrofony, jsou měniče. Mikrofony převádějí energii mechanického vlnění (zvuk) na elektrickou energii (zvukový signál). Reproduktory naopak převádějí elektrickou energii (zvukový signál) na energii mechanického vlnění (zvuk).

Reproduktory pracují na principu elektromagnetické indukce, tedy na stejném principu, kterým se řídí dynamické mikrofony (o nichž si povíme později v tomto článku). Do reproduktoru se vysílá zvukový signál ve formě střídavého napětí. Tento signál prochází stacionární vodivou cívkou z drátu, která obklopuje magnet. Elektřina protékající vodivým drátem způsobuje pohyb magnetu na principu elektromagnetické indukce. Protože zvuk je střídavý, magnet se pohybuje dopředu a dozadu. Tento magnet je připojen k membráně.

Membrána reproduktoru se pohybuje spolu s magnetem, ke kterému je připojena. Jak membrána vibruje, tlačí a táhne kolem sebe vzduch a promítá zvukové vlny prostorem.

Dynamický mikrofon pracuje opačným způsobem než reproduktor. Kdybychom zapojili reproduktor obráceně, membrána by byla v podstatě membránou mikrofonu! I když vzhledem k tomu, že membrány reproduktorů jsou obvykle tlustší, širší a těžší než membrány profesionálních mikrofonů, nebyly by zdaleka tak citlivé. Výsledkem by byl tlumený zvuk.

Chcete-li se dozvědět, jak zapojit reproduktor tak, aby se z něj stal mikrofon, přečtěte si můj článek Jak ve 2 snadných krocích proměnit reproduktor v mikrofon.

Hrudní bránice

Hrudní bránice je tenký list kosterního svalu u člověka a dalších savců.

V případě této biologické bránice je to samotný brániční sval, který se stahuje a rozpíná. Hrudní bránice hraje prvořadou roli při dýchání. Když se brániční sval stahuje, pomáhá nasávat vzduch do plic. Když se bránice uvolňuje, vytlačuje vzduch z plic ven.

Dýchání probíhá mnohem pomaleji než kmitání vzduchu. Podstata toho, že bránice pohybuje vzduchem, je však stejná.

Zrekapitulujme si rychle tři zmíněné bránice:

• Hrudní bránice se smršťuje a rozpíná, čímž pohybuje vzduchem do plic a z plic.
• Membrána reproduktoru je připevněna k magnetu a pohybuje se podle přiloženého střídavého napětí pomocí elektromagnetické indukce.
• Membrána mikrofonu se pohybuje podle změny akustického tlaku v jejím okolí.

Akustický princip: Tlak versus tlakový gradient

Ačkoli se nejedná o charakteristiku samotné membrány, stojí za zmínku konstrukce kapsle a to, jak mění způsob interakce zvuku s membránou.

Existují dva základní typy polárních vzorů:

1. Omnidirekční – který pracuje na principu tlaku.
2. Bidirekční – který pracuje na principu tlaku a gradientu.

Konstrukce kapsle může vystavit svou membránu na základě jednoho z těchto principů nebo jejich kombinace. Kombinací vznikají polární obrazce kardioidního typu.

Tlakový princip

Tlakový princip má jednu stranu membrány otevřenou vnějšímu akustickému tlaku. Druhá strana je uzavřena pevnému tlaku.

Víme, že pohyb membrány je způsoben rozdílem tlaku mezi její přední a zadní stranou. Protože zvukovým vibracím je vystavena pouze jedna strana membrány, bude membrána reagovat na zvuk ze všech směrů celkem stejně. Proto se používá všesměrový polární vzor!

Další informace o všesměrovém polárním vzoru najdete v mém článku Co je to všesměrový mikrofon? (Polární vzor + příklady mikrofonů).

Tlakově gradientní princip

Tlakově gradientní princip má obě strany membrány otevřené vnějšímu akustickému tlaku.

Zvukové vlny přicházející přímo z přední části membrány dopadají nejprve na přední část a na zadní část až někdy později. Tento fázový rozdíl způsobí malý rozdíl tlaku, který způsobí pohyb membrány. Zvukové vlny přicházející přímo ze zadní části membrány působí opačně.

Zvukové vlny přicházející přímo z boční části membrány dopadají současně na přední i zadní část a nezpůsobují žádný rozdíl tlaku, a tedy ani žádný pohyb membrány!

Tak princip tlakového gradientu dává obousměrný nebo „osmičkový“ polární vzor. Mikrofon je citlivý na zvuk přicházející zepředu a zezadu, zatímco zvuk ze stran odmítá.

Další informace o obousměrném polárním obrazci naleznete v mém článku Co je to obousměrný mikrofon/Figure-8? (S příklady mikrofonů).

Kombinace přítlaku & Přítlaku a gradientu

Často se stává, že jsou kapsle navrženy tak, aby kombinovaly oba tyto principy.

Nejoblíbenějším polárním vzorem mikrofonu je kardioidní vzor. Jedná se v podstatě o poměr tlakového a tlakově gradientního principu v poměru 1:1.

Omezením cesty zvuku, který se dostává na zadní stranu membrány, výrobci chytře přistupují ke kombinaci obou principů. Manipulací s množstvím vibrací vzduchu na každé straně membrány vznikají různé polární obrazce!

Chcete-li se dozvědět více o kardioidním polárním obrazci a všech ostatních polárních obrazcích mikrofonů, přečtěte si mé články Co je kardioidní mikrofon? (Polární vzor + příklady mikrofonů) a The Complete Guide To Microphone Polar Patterns (Kompletní průvodce mikrofonními polárními vzory).

Face of the Diaphragm:

Dalším bodem, který je třeba zmínit v souvislosti s membránami a jejich kapslemi, je způsob jejich adresování. Jinými slovy, do jakých směrů směřují mikrofonní membrány?

Dva nejběžnější typy adres jsou top-address a side-address.

Mikrofony s horní adresou

Mikrofony Shure se objevují v následujících článcích Moje nové mikrofony:
– Nejlepší značky mikrofonů, které byste měli znát a používat
– Nejlepší značky sluchátek/náušníků na světě
– Nejlepší značky sluchátek na světě

Mikrofony s horní adresou mají membrány „obrácené“ k horní části mikrofonu. Obvykle mikrofon vypadá, jako by směřoval směrem, kde je nejcitlivější.

Typicky jsou mikrofony s horní adresou omezeny na všesměrové a kardioidní polární vzory, protože je prakticky nemožné, aby obě strany membrány byly rovnoměrně vystaveny akustickému tlaku.

Běžnými příklady mikrofonů s horní adresou jsou Shure SM57 a SM58 a také Neumann KM 184 (s odkazy na zjištění jejich cen na Amazonu).

Boční adresní

Mikrofony Neumann jsou uvedeny v následujících článcích Moje nové mikrofony:
– Nejlepší značky mikrofonů, které byste měli znát a používat
– Nejlepší značky studiových monitorů, které byste měli znát a používat

Mikrofony s boční adresou jsou navrženy tak, aby jejich membrány směřovaly „do strany“.“ „Přední“ a „zadní“ strana membrány směřují do stran mikrofonů, takže mikrofon je nejcitlivější na zvuk z bočních směrů.

S side-address mikrofony lze poměrně snadno dosáhnout všech polárních vzorů. Toto uspořádání také umožňuje navrhnout dvě membrány zády k sobě a vytvořit tak variabilní vícepatrový mikrofon.

Běžnými příklady side-address mikrofonů jsou Neumann U87, Rode NT1-A a AKG C414 (s odkazy na zjištění jejich cen na Amazonu). U87 a C414 jsou vícepatrové mikrofony.

Membrána s pohyblivou cívkou

Membrána s pohyblivou cívkou se ve skutečnosti skládá ze dvou samostatných částí: samotné membrány a pohyblivé cívky. Protože jsou však k sobě navzájem připojeny, je užitečné o nich uvažovat jako o jediném pohyblivém dílu. Membrány s pohyblivou cívkou se nacházejí v dynamických mikrofonech s pohyblivou cívkou.

Kombinace membrány a pohyblivé cívky vibruje v reakci na vnější zvukové vlny. Membrána je zodpovědná za to, že je dostatečně citlivá, aby zachytila rozdíly tlaku vzduchu mezi jejími dvěma stranami. Vodivá cívka je zodpovědná za převod těchto vibrací na zvukový signál. Membrána s pohyblivou cívkou a kapsle fungují jako převodník na principu elektromagnetické indukce.

Membrány s pohyblivou cívkou mají téměř všechny kruhový tvar a jsou pevně napnuty kolem stacionárního prstence v mikrofonní kapsli. Napětí je rozhodujícím faktorem citlivosti membrány na přicházející zvukové vlny.

V typickém provedení má cívka zhruba polovinu průměru membrány. Spojení těchto dvou prvků vytváří v membráně drobný ponor nebo zvlnění. Membrána proto není dokonale plochá. Membrána může mít také vyříznuté drobné drážky pro listy a další zvlnění, aby se zlepšil její výkon tím, že se vyřeší přirozené problémy s konstrukcí membrány a kapsle.

Materiál

„Pohyblivá cívka“ (často označovaná jako kmitací cívka) je obvykle vyrobena z tenkého měděného drátu svinutého do dutého válcového tvaru. Na obou stranách pohyblivé cívky jsou magnety, které umožňují maximální elektromagnetickou indukci.

Sama membrána nemusí být vůbec elektricky vodivá. Typickým materiálem používaným k výrobě membrány je polyesterová fólie (běžný obchodní název je Mylar). Tato polyesterová fólie (plastová deska) je dostatečně tenká a pevná, aby fungovala jako účinný materiál membrány!“

Takže cívka je připevněna k membráně, a proto se pohybuje spolu s ní. Tato přidaná hmotnost má několik vlivů na celkové vlastnosti membrány. Hmotnost a tvar nebo dynamické mikrofony s pohyblivou cívkou obecně vedou k následujícím vlastnostem:

• Snížená citlivost ve vysokofrekvenčním rozsahu.
• Rezonanční frekvence ve slyšitelném rozsahu lidského sluchu.
• Pomalejší přechodová odezva než kondenzátorové a páskové membrány.

Další informace o dynamických mikrofonech s pohyblivou cívkou najdete v mých článcích Co je to mikrofonní cívka? a Dynamické mikrofony s pohyblivou cívkou:

Pásková membrána

Pásková membrána je pravděpodobně nejzajímavějším typem membrány. Páskové membrány jsou dlouhé, tenké, obdélníkové membrány, které jsou ke své kapsli/baflíku připojeny pouze na obou stranách své délky. Nejčastěji jsou vlnité, nikoli dokonale ploché, a ve srovnání s membránami s pohyblivou cívkou a kondenzátorovými membránami jsou pod relativně nízkým napětím.

Mikrofonní pásky jsou také považovány za dynamické. Stejně jako mikrofony s pohyblivou cívkou pracují páskové mikrofony na principu elektromagnetismu. Avšak namísto samostatné membrány a vodivého dílu srostlých dohromady působí páskový mikrofon jako oba tyto prvky současně. Páska se pohybuje v reakci na rozdíl akustického tlaku mezi její zadní a přední stranou. Po obvodu pásky jsou umístěny magnety, takže při pohybu membrány generuje elektromagnetická indukce zvukový signál!

Materiál

Membrány pásky musí být vodivé a extrémně tenké (obvykle méně než 5 mikronů). Hliník skvěle splňuje obě tyto potřeby. Vlnitá hliníková fólie tvoří mnoho membrán páskových mikrofonů na trhu. Někteří výrobci používají jako základ pásky pevnější plastové polymery a potahují je vodivým hliníkem. Jindy se setkáte s hliníkovou fólií pokrytou tenkou vrstvou zlata. Vrstvení zlata pomáhá zabránit oxidaci pásky, zatímco zlato samo o sobě je lepším vodičem hliníku (pouze není tak silné).

Křehkost

Membrána pásky je křehká. Poryvy větru a pohyby vzduchu spojené s kopáním do bubnů a dokonce i vokální plosky mají potenciál membránu roztáhnout a způsobit její trvalé poškození. Fantomové napájení, pokud je přenášeno přes špatné kabely nebo spoje, má také potenciál vyfouknout nebo roztáhnout membránu. Fyzické úrazy (pády mikrofonu) také mohou s velkou pravděpodobností poškodit páskovou membránu. Je samozřejmé, že při manipulaci a nahrávání s páskovými mikrofony je třeba dbát zvýšené opatrnosti. Dobrou zprávou je, že oprava často vyžaduje pouze „přebroušení“ mikrofonu. Špatnou zprávou je, že cena opravy se může vyšplhat až na 350 USD.

Podle své povahy jsou páskové mikrofony nastaveny jako boční a mají obousměrný polární vzor. Kvůli obousměrnému (obr. 8) obrazci také vykazují největší množství proximity efektu.

Pokud si chcete podrobně přečíst o proximity efektu mikrofonu, přečtěte si můj článek In-Depth Guide To Microphone Proximity Effect.

Vlastnosti páskové membrány dávají páskovým mikrofonům následující vlastnosti (obecně řečeno):

• Nízké napětí membrány dává rezonanční frekvenci hluboko pod slyšitelným rozsahem lidského sluchu.
• Tenkost membrány dává přesnou přechodovou odezvu.
• Obecný tvar a princip měniče dává jemný, přirozený roll-off vysokých frekvencí.

Další informace o dynamických páskových mikrofonech najdete v mém článku Dynamické páskové mikrofony:

Kondenzátorová (kondenzátorová) membrána

Membránu kondenzátorového mikrofonu je nejjednodušší vysvětlit spolu s celou konstrukcí jeho kapsle.

Kondenzátorové kapsle jsou v podstatě kondenzátory (kondenzátor byl dříve výraz pro kondenzátor). Ve tvaru kondenzátoru jsou dvě paralelní desky vzdálené od sebe. V případě kondenzátorového mikrofonu jsou tyto dvě paralelní desky:

1. Stabilní pevná zadní deska.
2. Pohyblivá přední deska, známá jako membrána!

Kondenzátory jsou určeny k udržování náboje (Q) při napájení napětím. Stejnosměrné napětí je nejčastěji dodáváno prostřednictvím fantomového napájení (v případě pravých kondenzátorových mikrofonů) nebo je trvale udržováno v elektretovém materiálu v deskách (v případě elektretových kondenzátorových mikrofonů). Náboj (Q) zůstává v ideálním provedení konstantní.

Zvukový signál (střídavé napětí) na výstupu kondenzátoru se měří podle vzorce V = Q / C

Protože (Q) je konstantní, je zvukový signál (V) nepřímo úměrný kapacitě (C). Probereme tedy kapacitu.

Kapacita je schopnost kondenzátoru uchovávat elektrický náboj. Kapacita kondenzátorových kapslí závisí na ploše desek, izolantu mezi deskami (vzduchu) a vzdálenosti mezi deskami. Z těchto tří ovlivňujících faktorů je vzdálenost mezi deskami jedinou proměnnou veličinou!

Při vibracích membrány kondenzátoru se mění vzdálenost mezi oběma deskami, což vede k proměnlivému střídavému napětí (zvukovému signálu)!

Materiál

Zadní deska pravého kondenzátoru je obvykle vyrobena z pevných kovových slitin, jako je mosaz. Membránová deska je často vyrobena buď z pozlaceného mylaru, nebo z mimořádně tenké hliníkové fólie.

Elektretové kondenzátory jsou obvykle vyrobeny ze stejného materiálu, pouze s elektretovou vrstvou na jedné z desek. „Zadní elektrety“ jsou nejúčinnější a mají tenkou vrstvu elektretového materiálu na svých zadních deskách. Materiálem elektretů může být jakýkoli dielektrický materiál, včetně plastu nebo vosku.

Běžně se kondenzátorové mikrofony rozlišují podle velikosti membrány. V zásadě existují dva tábory: kondenzátory s malou membránou a kondenzátory s velkou membránou. Probereme si oba typy podrobněji.

Malomembránové kondenzátory

Malé kondenzátorové membrány mají obvykle průměr menší než 1 palec, i když jde pouze o zobecnění.

Malomembránové kondenzátory (SDC) jsou obvykle konstruovány v provedení „tužkový mikrofon“, což znamená, že jde o mikrofony s horní adresou. Z tohoto důvodu obvykle nenajdete malomembránové obousměrné nebo vícesměrné mikrofony.

Menší membrána obvykle znamená nižší hmotnost. To se promítá do větší přesnosti přechodové odezvy a rozšířené vysokofrekvenční odezvy. Protože je membrána menší, může být také kapsle navržena menší, což umožňuje konzistentnější polární odezvu.

Nevýhodou malých membrán jsou nižší hodnoty citlivosti, a tedy horší odstup signálu od šumu. Výstupní signál kondenzátorové kapsle je úměrný vzdálenosti mezi membránou a zadní deskou. Menší membrány se nepohybují na tak velké vzdálenosti jako velké membrány (pro představu si rád představuji malé a velké trampolíny). Protože je citlivost menší, je vlastní šum elektroniky mikrofonu u SDC výraznější než u LDC při signálech stejné úrovně.

Kondenzátory s velkou membránou

Větší kondenzátorové membrány mají obvykle průměr 1 palec nebo více, i když to je pouze zobecnění.

Kondenzátory s velkou membránou (LDC) jsou obvykle konstruovány jako mikrofony s boční adresou. To umožňuje navrhnout v mikrofonní kapsli libovolný polární vzor. Konstrukcí kapsle s více membránami je dokonce možné vytvořit mikrofony s více vzory.

Větší velikost membrány znamená větší hmotnost. LDC mají nízké rezonanční frekvence, což obvykle vytváří zesílení basů v oblasti nízkých frekvencí. Větší velikost membrány také znamená, že její posun při působení zvukových vln je větší než u protějšků SDC. Větší rozsah posunu membrány znamená silnější zvukový signál, takže LDC jsou citlivější než SDC. Hlasitější výstup při vystavení stejné hladině akustického tlaku dává velkomembránovým kondenzátorům lepší odstup signálu od šumu.

Nevýhodou mikrofonů LDC a side-address je, že jejich velké mřížky umožňují odraz krátkých vln uvnitř krytu mřížky. Pokud nejsou tyto frekvence řádně tlumeny, vytvářejí nepravidelnou frekvenční odezvu ve vysokých frekvencích.

Velké membrány mají ještě další nevýhody. Velikost a hmotnost LDC způsobují, že hůře reagují na výškové frekvence. Větší posun, který zvyšuje citlivost, ve skutečnosti brání přesnosti přechodové odezvy velké membrány. A konečně, kapsle musí být větší, aby mohly pojmout větší membrány. LDC mají tendenci mít méně konzistentní polární obraz napříč frekvenční odezvou ve srovnání s SDC.

Další zajímavostí u LDC je, že některé membrány jsou zakončeny na okraji, zatímco jiné jsou zakončeny uprostřed. Edge-terminated znamená, že zvukový signál je odebírán z okraje kapsle a membrána je tedy jeden celý kus. Membrány se středovým zakončením mají elektrody uprostřed membrány. Teoreticky mají membrány se středovým zakončením méně rezonančních frekvencí, což znamená, že jejich frekvenční odezva je méně kolísavá. Konstrukce se středovým zakončením jsou však o něco složitější.

Zrekapitulujme si obecné rozdíly mezi kondenzátory s malou membránou (SDC) a kondenzátory s velkou membránou (LDC):

• SDC jsou méně citlivé než LDC
• SDC mají horší odstup signálu od šumu než LDC
• SDC mají silnější vysokofrekvenční odezvu než LDC
• SDC mají slabší nízkofrekvenční odezvufrekvenční odezvy než LDC
• SDC mají přesnější přechodové odezvy než LDC
• SDC mají konzistentnější polární obrazce než LDC

Pro podrobný popis rozdílů mezi SDC a LDC, podívejte se na můj článek Large-Diaphragm Vs. Kondenzátorové mikrofony s malou membránou.

Všeobecné vlastnosti kondenzátorové membrány dávají kondenzátorovým mikrofonům následující vlastnosti:

• Nízká hmotnost membrány dává jasnou horní frekvenční odezvu.
• Napětí a tenkost membrány dávají přesnou přechodovou odezvu.
• Obecný tvar a princip měniče dává jemný, přirozený roll-off vysokých frekvencí.

Faktory výkonu membrány

Prodiskutujme hlavní faktory, které ovlivňují výkon membrány:

• Hmotnost membrány
• Tvar a velikost membrány
• Napětí membrány
• Materiál membrány
• Vodivost. membrány

Hmotnost membrány

Hmotnost membrány hraje velkou roli při určování frekvenční a přechodové odezvy. Obojí jsou kritické vlastnosti mikrofonu.

Čím je membrána těžší, tím nižší je její rezonanční frekvence. Rezonanční frekvence nabízí zvýšení frekvenční odezvy membrány. Těžší membrány také trpí nedostatečnou čistotou vysokých frekvencí. To je způsobeno setrvačností a obtížemi, které mají vysokofrekvenční zvukové vlny při překonávání setrvačnosti.

Zvětšená setrvačnost, která přichází s většími hmotnostmi, ovlivňuje také přechodovou odezvu membrány. Čím je membrána těžší, tím více se brání pohybu. Tento odpor proti vnějším zvukovým vlnám zhoršuje přesnost přechodové charakteristiky mikrofonu.

Tvar a velikost membrány

Tvar a velikost membrány ovlivňují frekvenční charakteristiku a citlivost mikrofonu.

Většina mikrofonních membrán má kruhový tvar. To platí prakticky pro všechny membrány s pohyblivou cívkou a kondenzátorové membrány. Páskové membrány mají tvar dlouhých pásků.

U kruhových membrán se průměr vztahuje ke konkrétním rezonančním frekvencím. Tyto rezonanční frekvence mají vlnovou délku rovnou násobkům a zlomkům délky průměru. Nejjednodušší je představit si tyto rezonanční frekvence podél průměru membrány, jako bychom si představovali stojaté vlnění v místnosti. Vlnové délky, které se vejdou do hranic průměru obvodu membrány, budou interferovat buď konstruktivně, nebo destruktivně samy se sebou. Konstruktivní a destruktivní interference ovlivňují frekvenčně specifickou citlivost pozitivně, resp. negativně.

K určení citlivosti mikrofonu přispívá také velikost kruhové membrány. Při zachování všech ostatních podmínek platí, že čím větší je membrána, tím větší vzdálenost může být posunuta z klidové polohy (představte si malou vs. velkou trampolínu). Čím větší je pohyb membrány, tím větší je výstupní zvukový signál z kapsle!“

Tvar páskové membrány je spíše tvar dlouhého tenkého obdélníku než kruhu. Tento pásek membrány je také zvlněný a je pod mnohem menším napětím než jeho kruhové protějšky.

Nekruhový tvar v kombinaci se zvlněním způsobuje, že páskové mikrofony mají velmi málo rezonančních frekvencí. A ty frekvence, které rezonují, jsou slabé. Díky tomu je frekvenční charakteristika hladší!

Napětí membrány

Napětí membrány ovlivňuje frekvenční charakteristiku a citlivost mikrofonu.

Nejlepším přirovnáním, které pomůže vysvětlit napětí mikrofonu, je buben. Při ladění snare bubnu se zvýšením napětí hlavy bubnu (blány) zvýší základní a rezonanční frekvence bubnu. Totéž platí pro membránu blány mikrofonu (ačkoli do nich nebijeme paličkami)!

Při zachování všech ostatních skutečností platí, že zvýšení napětí zvyšuje rezonanční frekvence blány. Napětí u kruhových membrán obvykle přináší rezonanční frekvenci v oblasti basových nebo subbasových frekvencí. Páskové membrány jsou obvykle pod tak nízkým napětím, že jejich základní rezonanční frekvence je pod slyšitelným rozsahem lidského sluchu!

Napětí membrány také ovlivňuje citlivost mikrofonu. Čím pevněji je membrána napnutá, tím menší posun při dané hladině akustického tlaku zaznamená.

Materiál membrány

Materiál membrány hraje rozhodující roli při určování celkové odezvy membrány na zvuk.

Membrány musí být tenké, pohyblivé a většinou vodivé. Materiál použitý při výrobě membrán musí mít vysokou pevnost v tahu a musí být schopen přesně reagovat na změny akustického tlaku. To snižuje počet schůdných možností materiálu membrán.

Efektivním materiálem je polyesterová fólie (běžný obchodní název je Mylar). Ačkoli Mylar není vodivý, je dostatečně pevný a pružný, aby vynikl jako materiál membrány. Membrány s pohyblivou cívkou se často vyrábějí výhradně z polyesterové fólie, protože se nevyžaduje, aby byly vodivé. Membrány kondenzátorových mikrofonů se často vyrábějí z polyesterové fólie potažené zlatem, aby se do tohoto materiálu přidal vodivý prvek.

Hliníková fólie je dalším často používaným materiálem při konstrukci membrán. Hliník je pevný i vodivý a nejčastěji se objevuje u páskových membrán.

Vodivost membrány

Ještě poznámka k materiálu membrány: vodivost má pro funkčnost mikrofonu zásadní význam. Vodivost membrány/kapsle je přímo úměrná účinnosti mikrofonu jako převodníku.

Hliník, zlato a měď jsou tři nejběžnější vodivé materiály používané v mikrofonních membránách.

Membrány s pohyblivou cívkou nemusí být vodivé. Připojená cívka však musí být. V tomto případě se používá měď.

Páskové membrány jsou obvykle vyrobeny z hliníkové fólie. Pokud nejsou vyrobeny z hliníkové fólie, mají přinejmenším povlak z hliníku nebo zlata.

Kondenzátorové membrány jsou obvykle vyrobeny z polyesterové fólie, na kterou je z důvodu vodivosti položeno zlato nebo elektretový materiál.

Související otázky

Mají mikrofony USB stejný druh membrán jako mikrofony XLR? Ano. Neexistuje žádná speciální „membrána USB mikrofonu“. Kapsle a membrány mikrofonů USB jsou konstruovány stejně jako u mikrofonů XLR. Běžné konstrukce USB membrán/kapslí jsou typu pohyblivá cívka, páska a kondenzátor. Membrána nemá nic společného s převodem zvukového signálu na digitální data.

Potřebuje mikrofon membránu? Všechny praktické mikrofony potřebují membránu, aby mohly účinně fungovat jako měniče. Existují však experimentální mikrofony navržené bez membrán. Laserový mikrofon promítá laser přes exponovaný proud kouře. Laserový snímač detekuje změny v kouři a vysílá zvukový signál.