Mikrofon
Obsah boxu
Mikrofon je elektroakustický měnič, tedy zařízení, které přeměňuje zvuk (akustický signál) a jeho změny na odpovídající elektrický signál. Je základním vstupním prvkem v téměř každém audio řetězci, od telefonů a počítačů přes rozhlasové a televizní vysílání až po profesionální nahrávací studia a ozvučování živých vystoupení.
Princip mikrofonu je v podstatě opačný k principu reproduktoru, který naopak přeměňuje elektrický signál zpět na zvuk. Mikrofony jsou klíčovou technologií, která umožnila rozvoj telekomunikací, nahrávání zvuku a masových médií.
📜 Historie
Vývoj mikrofonu je úzce spjat s vynálezem telefonu a potřebou přenášet lidský hlas na dálku. Ačkoliv experimenty s přeměnou zvuku na elektřinu probíhaly již dříve, za klíčové postavy jsou považováni především Alexander Graham Bell, Emile Berliner a David Edward Hughes.
🏛️ První vynálezy
První zařízení schopné přenášet hlas vynalezl Alexander Graham Bell v roce 1876 jako součást svého telefonu. Jeho kapalinový vysílač byl však velmi nepraktický. Ve stejném roce si Emile Berliner nechal patentovat mikrofon založený na principu proměnlivého kontaktu, což byl významný krok vpřed.
Skutečný průlom přišel s vynálezem uhlíkového mikrofonu, na kterém nezávisle pracovali David Edward Hughes v Anglii a Thomas Alva Edison v USA. Hughes svůj vynález demonstroval v roce 1878, ale nepatentoval si ho. Edisonův design, který využíval stlačená uhlíková zrnka, se stal základem pro telefonní mikrofony na téměř celé století díky své vysoké citlivosti a jednoduchosti.
🎙️ Rozvoj v 20. století
S nástupem rozhlasového vysílání a filmového průmyslu ve 20. letech 20. století vzrostla poptávka po kvalitnějších mikrofonech.
- Kondenzátorový mikrofon: Vynalezen v roce 1916 v Bellových laboratořích E. C. Wentem. Nabídl výrazně lepší frekvenční odezvu a věrnost zvuku než uhlíkové mikrofony a stal se standardem v nahrávacích studiích. První komerčně dostupný model, Neumann CMV 3 ("Neumannova lahev"), byl uveden na trh v roce 1928.
- Dynamický (cívkový) mikrofon: V roce 1931 představila společnost Western Electric model 618A, první dynamický mikrofon. Tyto mikrofony byly odolnější a nepotřebovaly externí napájení, což je předurčilo pro živá vystoupení a reportážní práci.
- Páskový mikrofon: Vyvinut ve 20. letech, popularitu získal ve 30. letech díky firmě RCA. Jeho teplý a přirozený zvuk byl ideální pro rozhlasové hlasatele a zpěváky.
Od poloviny 20. století se technologie dále zdokonalovala, objevily se elektretové mikrofony (varianta kondenzátorových), které umožnily miniaturizaci a masové nasazení ve spotřební elektronice. V digitální éře se objevily USB mikrofony a mikrofony s integrovanými A/D převodníky.
⚙️ Princip funkce
Základním úkolem každého mikrofonu je proces zvaný transdukce – přeměna jednoho druhu energie na jiný. V tomto případě se jedná o přeměnu mechanické energie zvukových vln na elektrickou energii.
Zvukové vlny jsou v podstatě změny tlaku vzduchu. Tyto změny rozechvívají tenkou membránu uvnitř mikrofonu. Pohyb membrány je následně převeden na elektrický signál jedním z několika možných způsobů, které definují základní typy mikrofonů. Výsledný elektrický signál je velmi slabý (tzv. mikrofonní úroveň) a musí být zesílen předzesilovačem na linkovou úroveň, aby s ním mohla další zařízení (mixážní pulty, zvukové karty) pracovat.
🔬 Typy mikrofonů podle principu
Mikrofony se dělí do několika základních kategorií podle toho, jakým způsobem převádějí pohyb membrány na elektrický signál.
🧲 Dynamické mikrofony
Dynamické mikrofony fungují na principu elektromagnetické indukce.
- Konstrukce: K membráně je připevněna malá cívka, která se pohybuje v magnetickém poli silného permanentního magnetu. Jak zvukové vlny pohybují membránou a cívkou, v cívce se indukuje elektrické napětí, které je přesnou elektrickou kopií akustického signálu.
- Vlastnosti: Jsou velmi odolné, snesou vysoký akustický tlak (SPL) a nepotřebují externí napájení. Mají obvykle méně detailní podání nejvyšších frekvencí ve srovnání s kondenzátorovými mikrofony.
- Použití: Ideální pro živá vystoupení (zpěv, mluvené slovo), ozvučování hlasitých nástrojů jako jsou bicí nástroje nebo kytarové aparáty. Typickými zástupci jsou Shure SM58 nebo Sennheiser MD 421.
⚡ Kondenzátorové mikrofony
Kondenzátorové mikrofony fungují na elektrostatickém principu.
- Konstrukce: Membrána (obvykle pokovená tenká fólie) tvoří jednu elektrodu kondenzátoru. Druhou, pevnou elektrodu tvoří kovová deska (backplate) umístěná těsně za ní. Mezi nimi je dielektrikum (vzduch). Aby systém fungoval, musí být kondenzátor nabitý, což zajišťuje externí stejnosměrné napětí, známé jako phantomové napájení (typicky +48 V), dodávané po mikrofonním kabelu. Zvukové vlny pohybují membránou, čímž se mění vzdálenost mezi elektrodami, a tedy i kapacita kondenzátoru. Tyto změny kapacity vytvářejí elektrický signál.
- Vlastnosti: Jsou velmi citlivé, mají vynikající frekvenční odezvu a dokáží zachytit i ty nejjemnější zvukové detaily. Jsou však křehčí a náchylnější na poškození.
- Použití: Standard v nahrávacích studiích pro nahrávání zpěvu, akustických nástrojů, orchestrů. Používají se také v rozhlase a pro měřicí účely.
Elektretové mikrofony
Jedná se o speciální typ kondenzátorového mikrofonu. Rozdíl je v tom, že elektrický náboj není dodáván externě, ale je permanentně "uložen" v materiálu membrány nebo zadní elektrody (elektret). Potřebují pouze malé napětí pro napájení integrovaného předzesilovače. Díky tomu mohou být velmi malé a levné. Nacházejí se v drtivé většině spotřební elektroniky, jako jsou mobilní telefony, notebooky, sluchátka s mikrofonem nebo diktafony.
🎗️ Páskové (ribbon) mikrofony
Páskové mikrofony jsou technicky podtypem dynamických mikrofonů.
- Konstrukce: Místo membrány s cívkou zde funguje jako membrána i vodič zároveň velmi tenký, zvlněný pásek z hliníkové fólie, zavěšený v silném magnetickém poli.
- Vlastnosti: Poskytují velmi teplý, přirozený a "vintage" zvuk. Jsou však extrémně křehké – silný proud vzduchu nebo phantomové napájení je může zničit.
- Použití: Oblíbené v nahrávacích studiích pro zpěv, smyčcové nástroje, dechové nástroje nebo jako overhead mikrofony pro bicí.
📊 Charakteristiky mikrofonů
Kromě principu se mikrofony liší řadou technických parametrů, které určují jejich vhodné použití.
🎯 Směrová charakteristika
Udává, z jakých směrů je mikrofon citlivý na zvuk.
- Všesměrová (Omnidirectional): Snímá zvuk stejně ze všech směrů. Používá se pro snímání atmosféry prostoru nebo když se zdroj zvuku pohybuje.
- Kardioidní (ledvinová): Snímá zvuk primárně zepředu a potlačuje zvuk přicházející zezadu. Je to nejběžnější charakteristika, ideální pro oddělení hlavního zdroje zvuku od okolního hluku.
- Superkardioidní a Hyperkardioidní: Jsou ještě užší než kardioidní, potlačují zvuk z boků ještě více, ale mají malou citlivost i na zvuk přicházející přímo zezadu. Používají se ve filmu (tzv. "pušky") nebo na hlučných pódiích.
- Osmičková (Figure-8): Snímá zvuk stejně dobře zepředu i zezadu, ale je téměř hluchá z boků. Tuto charakteristiku mají přirozeně páskové mikrofony.
📈 Frekvenční rozsah
Udává rozsah frekvencí (od nejnižších basů po nejvyšší výšky), které je mikrofon schopen zachytit. Udává se v Hertzech (Hz). Lidské ucho slyší zhruba od 20 Hz do 20 000 Hz (20 kHz). Kvalitní studiové mikrofony se tomuto rozsahu blíží, zatímco mikrofony pro specifické účely mohou mít rozsah omezený (např. pro lidský hlas).
🔊 Citlivost
Vyjadřuje, jak silný elektrický signál mikrofon vyprodukuje při dané úrovni akustického tlaku. Vyšší citlivost znamená, že mikrofon dokáže lépe zachytit tiché zvuky, ale také může být náchylnější ke zkreslení u velmi hlasitých zdrojů.
🔌 Impedance
Elektrický odpor mikrofonu vůči střídavému proudu. Pro správnou funkci je důležité, aby impedance mikrofonu byla výrazně nižší než vstupní impedance předzesilovače, do kterého je připojen.
🎤 Použití a aplikace
Mikrofony jsou dnes všudypřítomné a jejich aplikace zasahují do mnoha oblastí:
- Hudební průmysl: Nahrávání alb ve studiích, ozvučování koncertů a festivalů.
- Film a televize: Mikrofony na tyčích ("boomy"), klopové mikrofony ("lavalier"), mikrofony integrované v kamerách.
- Rozhlasové a podcastové vysílání: Speciální velkomembránové mikrofony pro bohatý a čistý hlas.
- Telekomunikace: Miniaturní mikrofony v telefonech, handsfree sadách a komunikačních systémech.
- Spotřební elektronika: Hlasové ovládání v chytrých reproduktorech (Amazon Alexa, Google Assistant), noteboocích, herních konzolích.
- Věda a průmysl: Měření hluku, akustická analýza, ultrazvuková diagnostika, geofonní průzkum.
- Bezpečnost a dohled: Monitorovací systémy, odposlechy.
💡 Pro laiky
- Co je to mikrofon? Představte si ho jako "elektrické ucho". Stejně jako vaše ucho převádí zvukové vlny na signály pro mozek, mikrofon je převádí na elektrické signály, které lze nahrát, zesílit nebo poslat dál po drátě.
- Proč některé mikrofony potřebují "phantomové napájení"? Některé typy mikrofonů (kondenzátorové) jsou jako auto, které potřebuje baterii, aby nastartovalo. Phantomové napájení je "šťáva" posílaná po kabelu, která jim dodá energii k provozu. Dynamické mikrofony si energii "vyrobí" samy pohybem cívky v magnetu, takže nic navíc nepotřebují.
- Co znamená "směrová charakteristika"? Je to jako kužel světla baterky. Některé mikrofony "slyší" všechno kolem sebe (jako rozsvícená žárovka), jiné slyší jen to, na co jsou namířené (jako laserové ukazovátko). To pomáhá nahrát jen to, co chceme, a ne třeba hluk z okolí.