Tento článek je patnáctým dílem našeho seriálu Techbox, ve kterém postupně rozebíráme a vysvětlujeme fungování základních součástí telefonů a další mobilní elektroniky.
Pokud bychom brali jako předchůdce dnešních mikrofonů, jakákoli zařízení, která slouží k zesílení hlasu, mohli bychom za jejich prapředky považovat zvláštní masky se speciálně konstruovanými ústy, které měly zesilovat hlas v amfiteátrech, a které můžeme datovat kolem roku 600 př. n. l. V roce 1665 experimentuje anglický vynálezce Robert Hooke (1635 - 1703) s něčím, co mnozí z nás znají z dětských her, tedy dvěma šálky spojenými provázkem.
Za vynálezem mikrofonu, tak jak ho známe, však musíme až do 18. století. Jako první razil pojem "mikrofon", třebaže ho nevynalezl, byl už v roce 1827 autor elektrického telegrafu, stereoskopu nebo Playfairovy šifry anglický fyzik a vynálezce Sir Charles Wheatstone (1802 - 1875).
V polovině 19. století experimentuje se zařízeními na přenos zvuku celá řada vynálezců, tím kdo si však nechal v roce 1876 patentovat první použitelný elektrický mikrofon však byl jeden z vynálezců telefonu Alexander Graham Bell (1847 - 1922). Na výstavě ke stému výročí vzniku Spojených států ve stejném roce vidí čerstvě vynalezený telefon i americký vynálezce německého původ Emile Berliner (1851 - 1929) a je nadšen. Rozhodne se vylepšit tehdejší slabý mikrofon Bellova aparátu a v červnu 1877 si podává patentovou přihlášku na uhlíkový mikrofon. The Bell Telephone Company je ohromena tím s tím Berliner přišel a odkupuje jeho patent za ohromující částku 50 000 dolarů, což odpovídá při započítání inflace 1 062 327,69 dolarům v roce 2012.
Berliner se nicméně raduje předčasně. Nezávisle na něm totiž pracuje na uhlíkovém mikrofonu i slavný Thomas Alva Edison (1847 - 1931), který si jej nechává patentovat už v březnu 1877. Následovala dlouhá soudní bitva, ve které nakonec federální soud jednoznačně rozhodl ve prospěch Edisona a prohlásil Berlinerův patent za neplatný. Na Edisonův mikrofon dále navázal a vylepšil ho ho v roce 1878 velšský - americký vědec a hudebník David Edward Hughes (1831 - 1900). Byl to také on, kdo oprášil pojem "mikrofon", když popisoval schopnost vysílače přenášet velmi slabé zvuky do sluchátka Bellova telefonu.
Není bez zajímavosti, že uhlíkové mikrofony se používali v telefonech nejen ve Spojených státech až do osmdesátých let minulého století. S uhlíkovými mikrofony to však zdaleka neskončilo. Již v roce 1916 vynalézá v Bellových laboratořích Edward Christopher “EC” Wente (1889 - 1972) kondenzátorový mikrofon. V roce 1942 se pak pro potřeby rozhlasového vysílání objevuje páskový mikrofon.
Revoluci v mikrofonech však způsobil americký patent č. 3118022 na elektroakustické měniče, elektretový mikrofon, který v roce 1964 získali výzkumníci Bellových laboratořích James West a Gerhard Sessler. Elektretový mikrofon nabídl větší spolehlivost, vyšší přesnost, nižší náklady a menší velikost. V 70. letech se pak objevují dynamické mikrofony a vývoj se nezastavil do dnes.
Tlakový vs. gradientní
Všechny mikrofony mají společné to, že se jedná o akusticko – elektrický převodník, jehož úkolem je převést akustický signál na elektrický. Liší se však tím, jak toho docilují. Podle způsobu, jakým mikrofony snímají akustický signál, je můžeme rozdělit do dvou základních skupin na tlakové a gradientní.
Jednodušší jsou mikrofony tlakové, kde akustická vlna z jedné strany tlačí na pružnou membránu. V takovém případě je závisí amplituda kmitů membrány a tedy i výstupní elektrický signál přímo úměrný intenzitě zvuku a jím způsobeného akustického tlaku. Tyto mikrofony jsou nezávislé na směru zvuku a obyčejně mají kulovou směrovou charakteristiku. Nejčastěji se používají v nahrávacích studiích, kde jsou tyto vlastnosti žádoucí.
O něco složitější jsou gradientní mikrofony, u kterých akustický signál působí z obou stran membrány. Díky tomu, že na membránu kromě intenzity zvuku působí i jeho gradient, tedy přírůstek intenzity v závislosti na vzdálenosti od zdroje zvuku, je možné u těchto mikrofonu eliminovat nežádoucí okolní hluk a sklony ke zpětným vazbám. V podstatě to znamená, že u zvuku z větší vzdálenosti jeho síla na membránu působí stejně z obou stran a jeho účinky se odečítají, ale u zdroje z bezprostřední blízkosti, je zvuk působící zepředu silnější a převažuje, čím elektrický signál sílí.
Jejich výstupní napětí, které je úměrné výchylce membrány, můžeme spočítat jako n-tou derivaci akustického tlaku podle souřadnice uvažované ve směru šíření akustické vlny. Speciálním typem gradientních mikrofonů jsou tzv. rychlostní mikrofony, u kterých je výchylka membrány úměrná první derivaci tlaku. Tedy jejich výstupní napětí je úměrné rychlosti vzduchových částic.
Pomocí úprav snímacího systému a otvoru pro vstup zvuku a rezonančních prostor je možné u gradientních mikrofonů měnit i tzv. směrovou charakteristiku. To se hodí zejména u směrových mikrofonů. Gradientní mikrofony se hodí především pro záznam zvuku ve studiích nebo snímání řeči v hlučném prostředí.
Kvalitu zvuku ovlivňuje i použitá technologie
Kromě rozdělení na tlakové a gradientní je další dělení mikrofonů podle samotné technologie, kterou převádí zvuk. Přestože princip změny akustické energie na elektrickou zůstává stejný. Liší se způsob. Každá z technologií přitom k tomu používá jiné prostředky, nabízí jinou kvalitu, a hodí se pro jiné účely.
Nejstarším použitelným a dosud používaným typem mikrofonů jsou uhlíkové mikrofony. Pro svou funkci používají odporový měnič stejnosměrné napájení, a proto jsou označované jako odporové. Ke zachycení změn akustického tlaku používají odpor uhlíkových zrnek, které jsou stlačovány pružnou kovovou membránou a přitom se mění jejich elektrický odpor, čímž se mění stejnosměrný proud na výstupu na signální proud. Frekvenční rozsah těchto mikrofonů je 250-3500 Hz, jejich velkou výhodou je vysoká citlivost, ale na druhou stranu se rovněž vyznačují značným zkreslením a šumem. Díky své jednoduché konstrukci nacházejí využití zejména v telefonech a v dalších zařízeních, u nichž příliš nezáleží na věrnosti přenášeného zvuku.
V kondenzátorových mikrofonech, které jsou přesněji označované jako elektrostatické, protože pro svou činnost potřebují elektrostatický převodník, funguje pružná membrána jako jedna z elektrod kondenzátoru zapojeného do elektrického obvodu. Tím jak, se v rytmu akustických vln mění poloha membrány proti druhé pevné elektrodě, mění se i kapacita kondenzátoru.
V tomto případě existují dvě možnosti, jak tuto změnu převést na elektrický signál. Buď je nutné vlastní mikrofonní vložku napájena značným vysokým pomocným polarizačním napětím (100 – 200 V), které je však nutné snímat předzesilovačem s velkou vstupní impedancí. V druhém případě je změnou kapacity mikrofonní vložky rozlaďován vysokofrekvenční oscilátor a v dalších obvodech je následně domodulován nízkofrekvenční signál.
Hlavními výhodami tohoto typu mikrofonů, které mohou být konstrukčně tlakové i gradientní, je především jejich vysoká citlivost, vyrovnaná frekvenční charakteristika a téměř nulové zkreslení. To jsou také důvody, proč je tento typ považován za nejkvalitnější a tyto mikrofony se často používají pro profesionální záznam zvuku a pro měřící účely.
Speciálním druhem kondenzátorových mikrofonů jsou elektroretové, které dostaly své jméno podle elektroretu, nevodivá hmota, která je permanentně nabitá, a která slouží k vytváření elektrického pole a mikrofon se tak obejde bez silného externího polarizačního napětí. Přímo v mikrofonní kapsli se pak nachází i předzesilovač s vysokou vstupní impedancí FET, kterému postačuje napájení v jednotkách voltů.
To umožňuje proti kondenzátorovým mikrofonům jejich miniaturizaci při zachování vysoké kvality zaznamenávaného zvuku. Používají se, jak pro profesionální použití v měřících přístrojích, tak i například v počítačích, v telefonech nebo v diktafonech.
Piezoelektrický mikrofon, který se používal převážně v 50. letech 20. století, pracuje na základě piezoelektrického jevu, kdy stlačováním či ohybem některých materiálů (např. keramických nebo solí některých minerálů) vzniká elektrické napětí. V praxi to vypadá tak, že vibrující membrána tlačí na piezoelektrické destičky, kde vzniká různé napětí a tento elektrický proud je dále zpracováván.
Tyto mikrofony však neposkytují příliš kvalitním zvukem a vyznačují se relativně velkou impedancí a citlivostí. Používali se především v systémech veřejného ozvučení, kde však byly postupně vytlačeny dynamickým mikrofonem. V některých typech snímačů hudebních nástrojů nebo kontaktních snímačů chvění se nicméně tento typ používá dodnes.
Principem fungování elektrodynamických mikrofonů je pohyb cívky v magnetickém poli permanentního magnetu. Tato cívka je spojena s membránou, která jí mechanicky rozkmitává, a tím se v ní indukuje napětí signálu úměrné tlaku.
Na stejném principu přitom fungují i reproduktory, takže elektrodynamické mikrofony patří mezi tzv. reciproké měniče. Při vhodném poměru impedancí mikrofonu a sluchátkového výstupu, je možné přes mikrofon poslouchat zvuk a naopak při připojení sluchátek nebo reproduktoru do mikrofonového vstupu je možné s nimi snímat zvuk. V každém případě však tento zvuk bude silně zkreslený, protože mikrofon i reproduktor se liší svou impedancí.
Elektrodynamické mikrofony se vyznačují širokým frekvenčním pásmem, malým zkreslením a nízkým šumem, ale na druhou stranu také vysokou impedancí. Díky těmto vlastnostem je nejrozšířenějším druhem mikrofonu pro pódiové ozvučení.
Modifikací elektrodynamického mikrofonu je tzv. elektromagnetický mikrofon, který pracuje na podobném principu. V tomto případě je však cívka upevněna pevně a membrána pohybuje clonou, která mění magnetické pole permanentního magnetu. To umožňuje použít robustnější cívku a dovoluje přepínat hodnoty impedance. Tento typ se nicméně příliš nepoužívá.
Další modifikací elektrodynamického mikrofonu je pak páskový mikrofon, kde má membrána a zároveň pohybující se vodič podobu měkkého, příčně zvlněného, tenkého hliníkového pásku, který je umístěný v permanentním magnetickém poli. Jeho pohyb vlivem akustického tlaku indukuje napětí. Tento typ mikrofonu se na rozdíl od klasického elektrodynamického mikrofonu vyznačuje nízkou impedancí. Dále má vyrovnanou frekvenční charakteristiku a malou citlivost, což je však vykompenzováno použitím zesilovače. Tyto mikrofony jsou velice náchylné na mechanické poškození, a proto se používají výhradně pro studiový záznam zvuku.
Za mikrofony nemáme zatím náhradu
Zatímco při přenášení zvuku se experimentuje s nahrazením reproduktorů metodou přenosu vibrací přímo do lebeční kosti tzv. bone conductorem, což nabídla například první generace chytrých brýlí Google Glass, v případě mikrofonů takovou náhradu nemáme. U mobilních telefonů, stejně jako u dalších elektronických zařízení určených k záznamu zvuku, se však adekvátní náhrady v nejbližší budoucnosti nedočkáme.
Můžeme se však dočkat pokročilejších technologií a materiálů, které přinesou větší frekvenční rozsah, větší citlivost a nižší impedanci, které nabídnou ještě větší věrnost zaznamenávaného zvuku. Příkladem budoucnosti mikrofonů je například mikrofon založený na optických vláknech, který místo změn kapacitních nebo magnetických polí snímá změny v intenzitě světla na povrchu reflexní membrány, nebo tzv. MEMS mikrofony (mikroelektromechanické systémy), které jsou většinou variantou na kondenzátorové mikrofony, ale jejich membrány citlivé na tlak jsou vyryté přímo do křemíkového čipu.
O tom, že i se současnými mikrofony je u mobilních telefonů možné přijít s něčím novým, však svědčí i mezi výrobci stále populárnější používání druhého mikrofonu na zádech přístroje, jehož úkolem je snímat okolní hluk tak, aby jej telefon mohl následně odfiltrovat.
