Помехи в МФ – цепях, методы борьбы с ними

Микрофонные шумы различают по месту возникновения на внутренние, наводимые и внешние. Последние два вида шума называют также помехами.

Внутренними (собственными) называют шумы, возникающие в капсюле или элементах электрической схемы МФ в результате флюктуаций молекулвоздуха в акустико-механических элементах трения, в частности тонком слое воздуха между мембраной и НЭ, а также электронов в резисторах, лампах, транзисторах и интегральных схемах в электрическом звене микрофона.

Наводимыми называют шумовые сигналы, создаваемые линиями силовой сети (частоты 50 Гц и ее гармоники), а также цепями электропитающих устройств (100 Гц). Электростатические помехи в виде щелчков могут также возникать при резких смещениях микрофонных кабелей.

Внешними называют шумы, возникающие вне ЗТ. К ним относят акустические шумы, создаваемые посторонними источниками (транспортом, голосами и т.д.), аэродинамические (ветровые), возникающие при обтекании МФ струями воздуха (от ветра, дыхания исполнителя и т.п.). К внешним относят также вибрационные и структурные помехи, возникающие от тряски корпуса, перекрытий, при движении исполнителя и т. п.

Внутренние или собственные шумы

Под этим термином понимают совокупность электрических сигналов на выходе МФ при отсутствии внешних воздействий (звукового давления, ударов, встрясок и т.п.). В структуре динамических микрофонов электронные элементы обычно отсутствуют, поэтому собственные шумы возникают в основном в активном сопротивлении звуковой катушки R. В конденсаторных МФ эти шумы вызываются, в основном, тепловыми флюктуационными процессами в сопротивлении нагрузки капсюля, а также дробовым эффектом токов ламп, транзисторов и микросхем, используемых в предусилителях МФ. Заимствованная из теории электрических цепей формула Найквиста, позволяет рассчитать одну из основных составляющих ЭДС собственного шума – тепловую, эта формула в полосе частот от f_н до f_в имеет вид

Здесь T - абсолютная температура в градусах Кельвина, k =1,37 · 10^-23 дж / град. – постоянная Больцмана. Для обычных комнатных условий (23⁰С), = =1,27ּ10^-10 , так что

 

Наводимые шумы

К этому виду относятся шумы, наводимые на элементы микрофонных конструкций и их цепей внешними электрическими и электромагнитными полями, источники которых находятся вне МФ. Поэтому такие шумы называют также помехами.

Электромагнитные помехи проявляются в виде НЧ «фона» сетевого напряжения (50 Гц) или пульсаций напряжения сетей питания выпрямленным током (100 или 300 Гц). Источниками подобных наводок являются кабели мощных сценических светильников, прожекторов, а также электропитающих устройств. Электромагнитные поля наводятся на стальные детали, входящие в микрофонные цепи, выходные трансформаторы конденсаторных и ленточных микрофонов, звуковые катушки динамических. Борьба с электромагнитными помехами осуществляется защитой звуковых трансформаторов экранами, изготовляемыми из магнитомягких материалов – пермаллоя, малоуглеродистой стали (железа) и др. В профессиональных динамических МФ применяют так называемые антифонные катушки, наматываемые обычно на корпус капсюля. Индуктивность такой катушки выбирается равной индуктивности звуковой, но намотка, с целью компенсации наводимой помехи, производится в обратном направлении.

Электростатические помехи могут проявляться, как и электромагнитные, в виде «фона» переменного тока, а также в виде щелчков, шорохов и других звуков, возникающих при резком перемещении МФ или его кабеля. Механизм электростатических наводок имеет совершенно иной характер, чем магнитных. Поэтому и борьба с ними осуществляется иными средствами. ЭДС магнитной помехи индуцируется в катушках микрофонной цепи переменными магнитными полями, в то время как ЭДС электростатических помех возникает в результате непосредственной передачи части сетевого напряжения в микрофонную цепь через емкостной делитель напряжения через паразитные емкости между проводниками сетевой и микрофонной линии. Защита от электростатических помех производится путем комбинации двух методов – симметрирования микрофонных цепей и их электростатической экранировки, осуществляемой с помощью «чулка» из гибкой металлической оплетки, обязательно заземляемой. Металл, используемый для оплетки, обычно не обладает ферромагнитными свойствами, так как его задача не «затягивание» поля электромагнитных помех, а «отведение» обкладки паразитной емкости сетевой проводки от микрофонной линии на «землю». На рис. 2.18 приведена принципиальная схема так называемой стандартной фантомной линии, позволяющей с помощью двухпроводного экранированного кабеля осуществить, помимо передачи выходного микрофонного сигнала на микрофонный усилитель (обычно встраиваемый в звукорежиссерский пульт), подачу на МФ питающего напряжения от пульта (подачей «+» через два активных провода и среднюю точку сопротивлений R₂ и «-» на оплетку экрана). Благодаря такой стандартной схеме, большинство производителей в настоящее время перестало комплектовать КМ блоками питания.

Акустический шум создается источниками, присутствие которых в первичном акустическом поле по разным причинам является неизбежным. Сюда относятся кино- и видеокамеры, вентиляционное и силовое оборудование, люди, присутствующие на съемках или передаче и т.д. В результате произвольности размещения источников шума и многократных отражений звуков от разных поверхностей, создается диффузное поле шума, где ориентация волн имеет хаотичный характер, а энергия шума распределяется равномерно, без сосредоточения в каких-то местах. Источник полезного сигнала находится в определенной точке (или точках) поля, звуковое давление от него распространяется с расширением фронта, а, следовательно на относительно близком расстоянии от источника (в поле прямого звука), убывает вдвое с удвоением расстояния в соответствии с законом сферической волны. Поэтому наиболее эффективный прием – расположение микрофона возможно ближе к источнику звука. Однако его не всегда можно использовать, так как при видео- или киносъемке попадание микрофона в кадр, часто является нежелательным. Другой прием – применение направленных и остронаправленных микрофонов, ХН которых сориентирована максимумом в направлении источника полезного сигнала, а окружающий шум воспринимается в соответствии с его коэффициентом направленности Ω. Кроме этого, ось ХН микрофона может быть сориентирована так, чтобы направление его минимальной чувствительности совпало с направлением на ближайшие и наиболее интенсивные источники помех.

В условиях повышенного шума (кабина самолета, вертолета, гусеничного транспорта, спортивного комментатора и т.д.) используются так называемые «антишумовые» микрофоны ближнего действия, которые часто являются составной частью специальной микрофонно-телефонной гарнитуры. В этих МФ для увеличения защищенности от шумов низкочастотного спектра используется эффект ближней зоны. Такой микрофон будет воспринимать дальний окружающий шум значительно слабее, чем источник сигнала. Его шумозащищенность будет определяться не только направленностью, но и разницей в ЧХЧ к ближнему полю и дальним источникам шума, что можно найти по формуле

 

+ 10lg Ω

 

Для микрофона с произвольной ХН

.

ЧХЧ таких микрофонов на рабочем расстоянии от рта (5-10 см) должна быть частотнонезависимой

Аэродинамические шумы – это внешние помехи, возникающие вследствие обтекания МФ квазистационарными потоками воздуха, возникающими по разным причинам: ветра, резкого перемещения МФ, дыхания оратора или вокалиста, воздушных потоков при произнесении взрывных и фрикативных согласных и т.п. Скорость потока воздуха распределяется неравномерно по поверхности обтекания и, в соответствии с законом Бернулли, при этом изменяется и давление на величину

 

ΔP = A(V, f) P_a(9cos²θ – 4)

Здесь А(V,f) – постоянная, пропорциональная средней скорости воздушного потока V и зависящая от частоты, как ~ f ^–3/2 [9], P_a – атмосферное давление, θ - угол между осью МФ и направлением потока. Изменение давления вызывает колебания диафрагмы и появление соответствующих напряжений помех на выходе МФ.

Защитой от этих помех, которые также называют ветровыми или «рор» помехами, служат противоветровые сферические экраны («ветрозащиты») из травленого поролона или многослойных металлических сеток, рассекающих поток воздуха и ослабляющих его воздействие на диафрагму. Эффективность экрана повышается с увеличением его размеров. Однако, подбор оптимальных параметров ветрозащитных экранов представляет непростую задачу, т.к. они оказывают существенное влияние на ЧХЧ и ХН микрофона в области высоких частот. Отметим также, что ненаправленные МФ существенно меньше подвержены влиянию ветровых помех в силу большей величины их механического импеданса. Поэтому в условиях улицы (например, при репортажах) лучше использовать ненаправленные динамические МФ.

Вибрационный и структурный шумы обусловлены низкочастотными механическими колебаниями, действующими через элементы конструкции МФ на капсюль, а затем через элементы акустико-механической системы на подвижный элемент.

Структурный шум возникает вследствие трения МФ об одежду (петличные МФ), сжимания и трения МФ в руках исполнителя (ручные МФ). В отличие от вибраций, передача механических колебаний происходит по оболочке корпуса и капсюля к чувствительному элементу МФ. К уменьшению этих помех приводит уменьшение шероховатости корпуса, а также увеличение его жесткости за счет толщины стенок, разделение металлических оболочек капсюля и корпуса резиновыми или полимерными прокладками (с удельным акустическим сопротивлением сильно отличающимся от металла).

Вибрационный шум возникает из-за колебаний опор (пола, стола, стойки), тряски МФ в руках исполнителя, случайных ударов и толчков. Механизм защиты от вибраций рассмотрим на примере применения внутреннего упругого амортизатора ручного микрофона (рис. 2.19,а). Действие такого амортизатора можно пояснить с помощью динамической модели рис. 2.19,б.

Величина паразитного выходного электрического сигнала определяется смещением массы подвижной системы m₁ относительно массы капсюля m_к. Если гибкость c₁ подвеса подвижной системы достаточно мала, так что в диапазоне действия вибраций обеспечивается условие 1 /ωc₁ > ωm₁ , то массы m₁ и m _k будут перемещаться практически с одной скоростью и синфазно. Это означает, что разностная скорость (ξ_к – ξ₁) будет мала и сигнал вибрационной помехи незначителен (рис. 2.19,в). Если же 1 /ωc₁ < ωm₁ (или, что то же ω> ω₁₁ = ) упругое сопротивление подвеса не препятствует относительному смещению масс m₁ и m _k и разностная скорость будет близка к вибрационной ξ_к, а сигнал вибропомехи достигнет наибольшего значения. Поскольку частота ω₁₁ сильно зависит от принципа действия микрофона (в ненаправленных КМ она лежит у верхней границы частотного диапазона, у направленных динамических в области 100- 300 Гц), то борьба с вибрационными помехами путем изменения ω₁₁ фактически не вполне может быть реализована.

Другая возможность заключается в уменьшении вибрационной скорости ξ_к, т.е. ослабить передачу вибраций корпуса микрофона на капсюль m _k. Это достигается путем их разъединения амортизатором, т.е. гибкими прокладками, совокупную гибкость которых c_a надо подобрать так, чтобы обеспечить (в отличие от предыдущего случая) как можно более низкую частоту амортизации. Тогда в частотной области ω> ω_а вибрации корпуса будут передаваться на капсюль m _k (а следовательно и на m₁)существенно ослабленными. Таким образом, для реализации малой вибровосприимчивости необходимо выполнение хотя бы одного из следующих условий:

 

ω₁₁ = >> ω_н (а); ω_а = << ω _н (б). /2.84/

 

Аналогичный механизм защиты от вибраций применяют и для микрофона в целом, подвешенного на напольной стойке или журавле. В этом случае, в качестве упругого амортизатора c_a применяют внешний держатель микрофона в виде, так называемого «паука» (тогда вместо массы капсюля m _k в формуле /2.84,б/, как и на рис. 2.19, следует подставлять массу M – микрофона в целом). Ту же роль упругого амортизатора c_a могут, например, выполнять резиновые прокладки под напольной стойкой (роль массы в этом случае – масса стойки с микрофоном), аналогично по принципу действия и применение плавающих полов в студии и т.д.

Причиной воздействие вибрации низких и даже инфразвуковых частот на микрофон может быть не только отсутствие амортизации но и применение амортизаторов с достаточно высокой резонансной частотой (подробнее о механизме вибраций см. [1]). Дело в том

, что любой амортизатор создает эффективную виброизоляцию только на частотах в диапазоне выше частоты резонанса упругости амортизатора с массой объекта (микрофона, микрофонной стойки, пола студии и т.д.). К тому же, если этот резонанс плохо демпфирован активным механическим сопротивлением (не показанном на рис. 2.19), то на близких к резонансу частотах амортизатор может работать как усилитель (а не изолятор!) вибраций. Такая ситуация чревата не только появлением на входе тракта достаточно большего суммарного сигнала звуковых частот, но и неслышного ухом, но воспринимаемой приборами инфразвуковой составляющей, модулирующей по амплитуде звуковые частоты. Это, в свою очередь, часто приводит к перегрузке либо предусилителя конденсаторного микрофона, либо второго звена тракта - микрофонного усилителя напряжения.