Den kompletta guiden till elektretmikrofoner

När det kommer till ljudteknik är elektretmikrofoner (ECM) en klassisk men ändå stabil lösning för ljudinspelning, med tillförlitlighet och anpassningsmöjligheter för en stor mängd tillämpningar. Medan MEMS-mikrofoner har fått en framträdande roll tack vare sin integrationsvänliga design och det kompakta formatet, behåller elektretmikrofonerna sin relevans i elektroniska konstruktioner tack vare monteringsmöjligheter, breda riktningskarakteristik och akustiska mångsidighet.

Artikeln undersöks elektretmikrofonens funktionsprinciper och dess interna kretsar samt riktningskarakteristik, från rundstrålande karakteristik för bred upptagning av omgivningsljud till enkelriktade mikrofoner för fokuserad isolering av ljud. Viktiga mätvärden för prestanda, som känslighet, signal-brusförhållande (SNR) och frekvenssvar, undersöks också för att vägleda till rätt val av komponent.

Elektretmikrofonens grunder

Elektretmikrofoner (ECM), även kallade kondensatormikrofoner, fungerar med hjälp av ett elektret - ett ferroelektriskt material som är permanent elektriskt laddat eller polariserat. Elektrets höga elektriska resistans och kemiska stabilitet garanterar att den inbyggda laddningen förblir intakt i hundratals år utan någon betydande försämring. Termen "elektret" härstammar från kombinationen av "elektrostatisk" och "magnet," som återspeglar den process genom vilken en statisk laddning byggs in i materialet. Detta sker genom att de statiska laddningarna i elektretet riktas, på samma sätt som magnetiska poler riktas för att skapa en magnet.

Denna inbyggda egenskap ger en betydande fördel vid mikrofonkonstruktion. Till skillnad från klassiska kondensatormikrofoner, som kräver en extern polariserande spänning för att fungera, eliminerar elektretets inbyggda statiska laddning detta behov. Den här förenklingen minskar komplexiteten i kretskonstruktionen och medför att elektretmikrofonerna kan arbeta effektivt i kompakta tillämpningar med låg strömförbrukning, vilket gör dem till ett attraktivt val i en mängd olika ljudsystem.

Funktionsprincipen för en elektretmikrofon bygger på att membranet fungerar som den ena plattan i en kondensator, medan den bakre plattan fungerar som den andra. När ljudvågor får membranet att vibrera ändras avståndet mellan membranet och bakplattan, vilket leder till variationer i kapacitansen. Förändringarna bestäms av kapacitansekvationen:

C = Q/V

Där:

• Q = laddning i Coulomb (förblir konstant till följd av elektrets inbyggda laddning)
• C = kapacitansen i Farad
• V = potentialskillnad i Volt

När kapacitansen (C) ändras till följd av membranets rörelse, uppstår en omvänt proportionerlig variation i spänningen (V) över kondensatorn, vilket genererar en elektrisk signal som motsvarar ljudets vibrationer.

Denna varierande spänning matas sedan till en fälteffekttransistor (FET) i mikrofonen, som förstärker signalen för bättre överföring. En kondensator för blockering av likspänning i utgångssteget tar bort all oönskad likströmsoffset och säkerställer att utgången är en ren ljudsignal. Denna enkla men effektiva konstruktion gör elektretmikrofonen till ett tillförlitligt val för att fånga upp ljud i olika elektroniska tillämpningar.

Figur 1: Funktionsprincipen för en elektretmikrofon. (Bildkälla: Same Sky)

Den typiska konstruktionen av en elektretmikrofon innehåller flera viktiga delar:

• Duk av Nonwoven: Skyddar mot damm samtidigt som ljudet kan passera
• Hölje: Omsluter och skyddar de inre delarna
• Monteringsring: Fäster det material som appliceras på membranet
• Membran: Vibrerar till följd av ljudet och förändrar kapacitansen
• Distans: Bibehåller avståndet mellan membran och bakplatta
• Bakplatta: Utgör kondensatorns fasta elektrod
• Sockel: Ger konstruktionstekniskt stöd
• Kopparring: Säkerställer ledningsförmåga och elektriska anslutningar
• Kretskort: Består av en FET och andra kretsar för signalförstärkning

Den demonterade och monterade konstruktionen av en elektretmikrofon illustreras i figurerna nedan.

Figur 2: Sprängskiss av en elektretmikrofon. (Bildkälla: Same Sky)

Figur 3: Monterad vy av en elektretmikrofon. (Bildkälla: Same Sky)

Elektretmikrofoners karakteristik eller upptagningsmönster

Elektretmikrofoner har olika karakteristik eller upptagningsmönster, som definierar hur de fångar upp ljud från olika riktningar. Riktverkan är en kritisk specifikation och bör väljas utifrån applikationen och användningsvillkoren. De vanligaste riktningsmönstren för ECM är rundstrålande (bild 4), enkelriktade (bild 5) och brusreducerande (bild 6).

Figur 4: Rundstrålande karakteristik. (Bildkälla: Same Sky)

Rundstrålande mikrofoner fångar upp ljud från alla riktningar, vilket gör dem perfekta för tillämpningar som inspelning av sånggrupper eller för konferenssamtal. Riktningskarakteristiken illustreras vanligen i ett diagram, där 0° representerar mikrofonens framsida och ljudintensiteten ritas upp radiellt från 0° till 360°. Mikrofonerna är visserligen mångsidiga, men de har en nackdel: de kan inte skilja på önskade ljud och omgivningsljud, utan fångar ofta upp och förstärker omgivningsljud.

Figur 5: Enkelriktad riktningskarakteristik. (Bildkälla: Same Sky)

Enkelriktade mikrofoner är utformade för att fånga upp ljud i första hand från en riktning, vilket minskar oönskat bakgrundsljud som prat, tangentbordsklick eller pappersljud. Det gör dem perfekta i tillämpningar med sång och tal, där det är viktigt att isolera den önskade ljudkällan. Den vanligaste enkelriktade karakteristiken, som visas i figur 5, har ett stort upptagningsområde med maximal avvisning vid 180° utanför axeln.

Figur 6: Störningsdämpande karakteristik. (Bildkälla: Same Sky)

En störningsdämpande mikrofon, eller dubbelriktad mikrofon, är utformad för att filtrera bort omgivningsljud samtidigt som den fokuserar på en önskad ljudkälla, vilket gör den perfekt i bullriga miljöer. De här mikrofonerna har minst två ljudportar: en som är riktad mot det önskade ljudet och en som är riktad mot mer avlägsna störningar. Ljud i närheten skapar en större tryckgradient över membranet, vilket medför en bättre upptagning av det avsedda ljudet. Närhetseffekten justeras för att säkerställa ett jämnt frekvenssvar för ljud nära frontporten, medan ljud från andra vinklar får en betydande avsmalning av mellanregister och bas. Vanliga tillämpningar är callcenter, headset för helikoptrar och kommunikationssystem för racerförare.

Viktiga specifikationer för elektretmikrofoner

Förutom elektretmikrofonens riktningskarakteristik finns det några ytterligare parametrar att tänka på vid val av komponenter:

• Känslighetsreduktion: Den förstärkningsförlust som uppstår när mikrofonens matningsspänning minskar.
• Känslighet: Mäter hur väl en mikrofon fångar upp ljud. Hög känslighet fångar upp tystare eller mer avlägsna ljud med lägre förstärkning, vilket minskar störningarna. Denna egenskap bidrar till att avgöra lämpligheten i tillämpningar som musikinspelning eller användning i bullriga miljöer.
• Signal-brusförhållande (SNR): Representerar förhållandet mellan det önskade ljudet (t.ex. tal eller musik) och störningar i bakgrunden som fångas upp av mikrofonen, vilket indikerar ljudets övergripande tydlighet.
• Monteringssätt: De vanligaste konfigurationerna för montering av elektretmikrofoner är kretskortsstift, kablar med eller utan ett kontaktdon och olika typer av kontaktdon. Anslutningsvarianterna kan definieras ytterligare som t.ex. ytmontering för omsmältningslödning eller lödöar för handlödning.

Sammanfattning

Elektretmikrofoner är oumbärliga i modern ljudteknik och erbjuder exakt ljudinspelning och mångsidig riktningskarakteristik. Deras tillförlitlighet och anpassningsförmåga gör dem viktiga i många olika tillämpningar, och genom att förstå deras funktion och viktiga specifikationer kan användare välja rätt mikrofon för sina behov. Utforska det kompletta utbudet av mikrofoner och tjänster för ljuddesign från Same Sky för specialanpassade lösningar.