Как работает микрофон: устройство, виды и принцип работы

Ухо превращает колебания воздуха в нервные сигналы, микрофон — в электрические. Задача одна: уловить очень слабое движение воздуха и получить точную электрическую копию звука, где напряжение растёт и падает так же, как давление в звуковой волне. Способов решить её несколько, и от выбранного зависит, где микрофон стоит: на концертной сцене, в студии звукозаписи или внутри телефона. Ниже — из чего состоит микрофон, что происходит на его пути от голоса до файла, чем отличаются главные виды и как читать характеристики при выборе.

Из чего состоит микрофон

У всех микрофонов есть общий каркас из двух звеньев: улавливающего колебания и превращающего их в электричество.

Часть	Что делает
Мембрана	Тонкая лёгкая плёнка или пластинка: под давлением звуковой волны колеблется в такт звуку
Преобразователь	Узел, где механическое движение становится электрическим сигналом: катушка с магнитом, конденсатор, кристалл
Корпус и сетка	Защищают мембрану от ударов и ветра; сетка пропускает звук
Предусилитель	Усиливает слабый сигнал: у микрофона он настолько мал, что его приходится увеличивать в сотни и тысячи раз
Разъём и кабель	Выносят сигнал наружу; симметричный кабель с тремя жилами защищает от помех
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)	Превращает электрическое напряжение в числа для компьютера или телефона
Ветрозащита и поп-фильтр	Мягкий колпак или сетка, которые гасят порывы воздуха от дыхания и резких согласных

Как микрофон превращает звук в сигнал

1. Звук создаёт давление. Голос или инструмент сжимает и разрежает воздух, волна идёт к микрофону.
2. Мембрана колеблется. Она двигается в такт колебаниям давления: чем громче звук, тем шире размах, чем выше тон, тем чаще колебания.
3. Преобразователь создаёт сигнал. Движение мембраны меняет ток, напряжение или заряд, повторяя форму звуковой волны.
4. Предусилитель поднимает уровень. Слабый сигнал доводят до пригодного для записи.
5. АЦП измеряет сигнал. Он берёт отсчёты напряжения десятки тысяч раз в секунду, например 44 100 или 48 000, и превращает их в числа. Число отсчётов называют частотой дискретизации.
6. Цифровой поток записывается. Файл, голосовое сообщение, звонок или прямой эфир: с этого момента звук стал данными.

Оцифровку легко представить как съёмку кино: кадры отдельные, но показанные подряд дают движение. Здесь «кадрами» служат измерения напряжения. Частота отсчётов определяет, какие частоты можно передать: чтобы записать звук до 20 килогерц, нужно не меньше 40 тысяч отсчётов в секунду. Второй параметр — разрядность: при шестнадцати бит каждый отсчёт выбирает одно из 65 536 значений громкости, чего хватает для музыки на компакт-диске, а студии записывают с запасом, в 24 бита.

Виды микрофонов

Динамический. Мембрана соединена с лёгкой катушкой, которая двигается в поле постоянного магнита. Провод, движущийся в магнитном поле, рождает ток по закону электромагнитной индукции. Это тот же динамик, только работающий в обратную сторону. Такой микрофон прочный, не боится громкого звука и не требует питания, поэтому его ставят на сцене и берут для выступлений и репортажей.

Конденсаторный. Мембрана — одна обкладка конденсатора, рядом с ней стоит неподвижная пластина. От колебаний расстояние между ними меняется, вместе с ним меняется ёмкость и, значит, напряжение. Мембрана очень лёгкая, поэтому микрофон ловит тонкие детали звука и высокие частоты. Ему нужно питание, обычно фантомное на 48 вольт от микшера или звуковой карты. Чувствителен к влаге и ударам, для студий подходит лучше, чем для концертов.

Электретный. Разновидность конденсаторного, где заряд постоянно сохраняет специальный материал электрет, и внешняя поляризация не нужна. Питание идёт лишь на маленький усилитель внутри. Такой микрофон дёшев и компактен, поэтому стоит в петличках, гарнитурах, веб-камерах.

MEMS. Кремниевая мембрана и неподвижная пластина размером в доли миллиметра выращены на микросхеме. Так сделаны микрофоны в смартфонах, наушниках, умных часах. Часто они сразу выдают цифровой сигнал.

Другие. Ленточные микрофоны используют тонкую металлическую ленту в магнитном поле и дают мягкий звук, но хрупки. Пьезоэлектрические подхватывают вибрации инструмента через контакт с корпусом.

Направленность: откуда микрофон слышит

Микрофоны различаются тем, с каких сторон они воспринимают звук. Всенаправленный слышит одинаково со всех сторон, поэтому удобен для записи атмосферы и общей беседы. Кардиоидный слышит спереди, хуже сбоку и почти не слышит сзади, поэтому на сцене его направляют на певца, а колонки ставят сзади. Двусторонний с диаграммой «восьмёрка» слышит спереди и сзади, но не с боков. Для домашней записи чаще всего берут кардиоидный.

Кроме того, направленные микрофоны обладают эффектом приближения: чем ближе рот к микрофону, тем сильнее усиливаются низкие частоты, и голос звучит «бархатнее». Этим пользуются дикторы. Из-за этого певцы и ведущие держат микрофон на постоянном расстоянии, а звукорежиссёры следят, чтобы голос не менял тембр от каждого движения головы.

Микрофон в телефоне

В смартфоне обычно несколько микрофонов. Основной ловит ваш голос, второй, расположенный на другой стороне корпуса, слышит фоновый шум. Электроника вычитает шум из голоса, и собеседнику слышно вас лучше. При записи видео микрофоны работают вместе, чтобы определить направление звука. Микрофонные отверстия крошечные, и их легко забить пылью или загородить пальцем, поэтому голос вдруг становится тихим. Что ещё находится внутри телефона, показано в статье об устройстве смартфона.

Интересные факты

• Почему микрофон «свистит». Звук из колонки попадает в микрофон, усиливается и снова идёт в колонку, а оттуда опять в микрофон. Петля нарастает, и появляется свист. Помогает отодвинуть микрофон от колонки или повернуть его задней стороной.
• Почему ветер звучит как «ду-ду-ду» на записи. Порыв воздуха давит на мембрану так же, как звук, только сильнее и на низких частотах. Мех и поролон снаружи гасят его.
• Почему свой голос на записи кажется чужим. Обычно мы слышим себя ещё и через кости черепа, где звук звучит ниже и плотнее, а микрофон записывает только то, что доходит по воздуху.

Как читать характеристики

Параметр	Что означает
Тип	Динамический, конденсаторный, электретный или MEMS; от него зависят питание и сфера применения
Диаграмма направленности	С каких сторон микрофон слышит: всенаправленный, кардиоида, восьмёрка
Частотный диапазон	Какие частоты он передаёт; для голоса хватает области от сотен герц до нескольких килогерц, а музыке нужен шире
Чувствительность	Какое напряжение микрофон даёт на данный звук: чем выше, тем тише можно говорить
Максимальный уровень звука	Насколько громкий звук микрофон переносит без искажений
Разъём	XLR для профессиональных, USB для готовых к компьютеру, 3,5 мм для гарнитур и камер

Как выбрать и что смотреть

Выбор зависит от задачи: для стрима и подкастов подойдёт USB-микрофон с кардиоидной диаграммой, для сцены — динамический с ручкой, для видео — петличка. Подробнее — в статье о выборе микрофона. В характеристиках смотрят на тип, диаграмму направленности, частотный диапазон, чувствительность и максимальный уровень звука, который он переносит без искажений.

Почему микрофон плохо работает

• Нет звука вовсе. Отключён в настройках, выбран не тот вход, отошёл разъём, у конденсаторного нет питания.
• Тихий или глухой звук. Забита сетка или отверстие, микрофон стоит слишком далеко, слабый предусилитель.
• Шум, гул или фон 50 Гц. Плохой кабель, наводки от сети или дешёвого блока питания.
• Треск. Окислился или разболтался разъём, повреждён кабель.
• Стал слабее после падения. Мембрана повреждена или катушка отошла от каркаса.

Сетку и корпус протирают сухой мягкой тканью, а вскрывать микрофон, паять и менять мембрану лучше в мастерской, потому что такая деталь крошечная и хрупкая. Хранят микрофон в чехле, вдали от сырости, и не роняют: от падения чаще всего страдает именно мембрана.

Посчитать и сделать

Проверка микрофона

Проверить уровень звука, послушать короткую запись и выбрать микрофон

Диктофон

Записать голос с паузой, прослушать и скачать в формате браузера