Как работает конденсаторный микрофон: устройство, строение и схемы питания

Конденсаторные микрофоны незаменимы во многих видах деятельности и любимы как артистами, так и звукорежиссерами. В этом материале разберемся, в чем особенности строения и работы конденсаторных микрофонов, чем и для чего они хороши и как с ними надо работать, чтобы избежать ошибок и добиться желаемых результатов.

Принцип работы конденсаторных микрофонов

В отличие от динамических микрофонов, конденсаторные микрофоны не используют электромагнитную индукцию, а работают на основе изменения электрической емкости.

Если кратко, то звуковые волны колеблют тонкую мембрану, которая изменяет емкость конденсатора. Это изменение емкости преобразуется в изменение напряжения, которое и является нашим звуковым сигналом.

Внутреннее строение и роль мембраны

Чтобы понять, как работают конденсаторные микрофоны, стоит разобраться в их строении. Конденсаторный микрофон состоит из трех основных частей:

• диафрагмы (мембраны). Это очень тонкая (часто из майлара или металлизированной пленки) гибкая пластина. Она служит одной из обкладок конденсатора;
• задней пластины. Жесткая перфорированная пластина, расположенная очень близко к диафрагме. Это вторая обкладка конденсатора. Отверстия в ней нужны для того, чтобы воздух мог свободно проходить, уменьшая сопротивление;
• электронной схемы. Включает в себя источник фантомного питания и импедансный преобразователь (предусилитель).

Диафрагма и задняя пластина образуют электрический конденсатор. Его емкость (C) определяется по формуле:

C = ε * A / d

Где:

• ε – диэлектрическая проницаемость материала между пластинами (воздуха);
• A – площадь пластин (диафрагмы и задней пластины);
• d – расстояние между пластинами.

Из формулы видно, что емкость зависит от расстояния d.

Процесс работы конденсаторного микрофона

Этап 1 – поляризация. На конденсатор (между диафрагмой и задней пластиной) подается постоянное напряжение, называемое поляризующим. Обычно это +48 В от фантомного питания. Это создает на конденсаторе постоянный электрический заряд.

Этап 2 – воздействие звука. Когда на диафрагму попадает звуковая волна, она начинает колебаться:

• при сжатии воздуха (пик звуковой волны) диафрагма прогибается к задней пластине. Расстояние d уменьшается;
• при разрежении воздуха (впадина звуковой волны) диафрагма отгибается от задней пластины. Расстояние d увеличивается.

Этап 3 – изменение емкости. Поскольку расстояние d постоянно меняется в такт звуку, емкость конденсатора C также постоянно меняется:

• расстояние d уменьшается → емкость C увеличивается;
• расстояние d увеличивается → емкость C уменьшается.

Этап 4 – генерация звукового сигнала. Заряд на конденсаторе (Q) определяется формулой Q = C * U. Поскольку заряд Q остается практически постоянным (ему некуда деться), а емкость C меняется, то для сохранения равенства должно изменяться напряжение U:

• если емкость C растет, то напряжение U падает;
• если емкость C падает, то напряжение U растет.

В результате этих колебаний на конденсаторе возникает переменное напряжение, которое в точности повторяет форму звуковой волны, воздействовавшей на диафрагму.

Этап 5 – усиление сигнала. Получившееся переменное напряжение очень слабое и имеет очень высокий выходной импеданс. Поэтому его нельзя напрямую подать на микшерный пульт или аудиоинтерфейс. Специальная электронная схема (импедансный преобразователь, обычно на полевом транзисторе), расположенная непосредственно в корпусе микрофона, усиливает этот сигнал и понижает его импеданс до рабочего уровня.

Для работы конденсаторному микрофону необходима энергия:

• для создания поляризующего напряжения на капсюле;
• питания внутреннего предусилителя.

Для этого используется фантомное питание (+48 В), которое подается по микрофонному кабелю от микшерного пульта, аудиоинтерфейса или отдельного блока питания.

Описанная выше схема характерна для истинных конденсаторных микрофонов с прямым питанием (True Condenser). Существуют также электретные конденсаторные микрофоны, в которых используется специально обработанный материал (электрет) для диафрагмы или задней пластины, который сохраняет постоянный заряд практически вечно. Таким микрофонам не нужно внешнее поляризующее напряжение, но все равно требуется фантомное питание (обычно 1,5–5 В) для работы внутреннего предусилителя. Это самые распространенные микрофоны в смартфонах, веб-камерах и петличках.

Почему конденсаторные микрофоны – выбор профессиональных студий

Благодаря своей высокой чувствительности конденсаторные микрофоны – однозначные фавориты студийной звукозаписи, но они также активно используются и для живых выступлений: для записи вокала, речи и музыкальных инструментов.

Студийные конденсаторные микрофоны – это золотой стандарт для записи в профессиональных условиях. Они предназначены для фиксации звука с максимальной точностью и детализацией. Студийные конденсаторные микрофоны отличают капсюли высочайшего качества с идеально сбалансированными и тонкими мембранами, прецизионные задние пластины, дорогие схемы с минимальным уровнем собственных шумов. Они рассчитаны на интенсивную работу в контролируемых студийных условиях. Цель студийных конденсаторных микрофонов – не просто записать звук, а передать его с максимальной точностью, детализацией и минимальными искажениями.

Типы конденсаторных микрофонов

Студийные конденсаторные микрофоны разделяют на несколько типов в зависимости от диаметра диафрагмы, который напрямую влияет на звучание.

1. Микрофоны с большой диафрагмой:
   • диафрагма: обычно более 1 дюйма (25,4 мм);
   • звучание: более «округлое», богатое, часто с небольшой собственной окраской. Они имеют слегка поднятую нижнюю середину, что добавляет звуку теплоты и плотности. Могут иметь небольшое завышение на ВЧ для блеска;
   • применение: это универсальные микрофоны для студии. Они идеальны:
     • для сольного вокала благодаря теплоте и плотности;
     • акустической гитары;
     • соло- и духовых инструментов;
     • озвучивания;
   • примеры: золотой стандарт студийной звукозаписи – Neumann U87 и U47, уникальный Sennheiser MKH 800 Twin, MK8 и MK 4, AKG C414.
2. Микрофоны с малой диафрагмой:
   • диафрагма: обычно 1/2 дюйма (12 мм) или меньше;
   • звучание: более естественное, прозрачное и детализированное. Благодаря малому весу диафрагмы эти микрофоны точнее реагируют на быстрые акустические атаки и имеют очень ровную АЧХ;
   • применение: там, где нужна максимальная точность:
     • запись акустических инструментов (гитара, скрипка, фортепиано) – идеально передают тембр;
     • overhead-микрофоны для барабанной установки (пара конденсаторных микрофонов, расположенных над ударной установкой для записи общего объемного стереозвука и тарелок);
     • хоровая звукозапись;
     • звукозапись перкуссии;
   • особенность: часто выпускаются в парных наборах для стереозаписи;
   • примеры: Neumann KM184, e 914, Schoeps CMC, Rode NT5.

     
     

3. Микрофоны со средней диафрагмой:
   • компромисс между первым и вторым типами – попытка объединить детализацию малой диафрагмы с «телом» и теплотой большой;
   • примеры: Sennheiser MKH 8040, Lauten Audio Eden, некоторые модели от Austrian Audio.

     
     

Требования к конденсаторному микрофону для живых выступлений

Конденсаторные микрофоны для живых выступлений обладают специальными характеристиками.

Ключевые требования к конденсаторному микрофону для живых выступлений:

• суперкардиоидная или гиперкардиоидная направленность. Это критически важно для звукоизоляции источника и борьбы с обратной связью;
• встроенный аттенюатор (Pad). Поскольку конденсаторные микрофоны очень чувствительны и могут легко перегружаться от громких источников (гитарный кабинет, саксофон, громкий вокал), то необходим аттенюатор -10/-15 дБ: он позволяет «срезать» входной сигнал и избежать искажений на входе предусилителя;
• прочность и надежность. Сценический микрофон должен выдерживать падения, удары, перепады влажности и температуры.

Лучшие типы конденсаторных микрофонов для сцены

1. Вокальные конденсаторные микрофоны (с большой диафрагмой) используются для вокалистов, которым нужна максимальная детализация и воздушность (джаз, соул, акустика, некоторые виды рока). Sennheiser e 965, Sennheiser SKM 9000/6000 (с капсюлем 9000/6000) – система беспроводных ручных передатчиков, куда можно установить настоящий студийный капсюль (например, Neumann KK 205/204). Выбор топовых артистов мирового уровня.

   
   

2. Инструментальные микрофоны (с малой диафрагмой) идеальны для озвучивания акустических инструментов: гитары, скрипки, перкуссии, тарелок. Shure KSM137/KSM141, Sennheiser e 914, Audio-Technica Pro 37.
3. Микрофоны-пушки используются в театре, на конференциях и для подзвучки отдельных инструментов или вокала на большом расстоянии. Sennheiser MKH 416 – легенда кинопроизводства, которую иногда используют и на сцене из-за ее супернаправленности и устойчивости к влаге, Rode NTG5.

Подключение конденсаторного микрофона

Главное правило, которое нужно запомнить:

Конденсаторный микрофон требует фантомного питания (+48V) и НЕ может быть подключен напрямую к линейному входу или микрофонному входу обычной звуковой карты. Ему нужен предусилитель с фантомным питанием.

Для подключения конденсаторного микрофона вам понадобятся:

• конденсаторный микрофон;
• XLR-кабель (микрофонный кабель);
• устройство с фантомным питанием:
  • аудиоинтерфейс (самый частый вариант);
  • микшерный пульт;
  • микрофонный предусилитель;
• компьютер с DAW (программой для записи).

Пошаговая инструкция по подключению:

1. Подготовка:
   • выключите колонки (мониторы) и устройство, к которому подключаете микрофон;
   • убедитесь, что регулятор Gain (усиление) повернут до минимума.
2. Сборка цепочки: микрофон – XLR-кабель – аудиоинтерфейс – компьютер.
3. Включение:
   • подключите микрофон к аудиоинтерфейсу XLR-кабелем;
   • найдите кнопку +48V Phantom Power на аудиоинтерфейсе/микшере;
   • включите +48V – теперь микрофон получил питание;
   • включите компьютер и запустите программу для записи (DAW).
4. Настройка уровня:
   • начните запись в DAW;
   • попросите человека говорить/петь в микрофон с рабочей громкостью;
   • плавно увеличивайте Gain на аудиоинтерфейсе;
   • следите, чтобы пики уровня в DAW достигали от -12dB до -6dB (не зашкаливали в красную зону).
5. Включите мониторы: теперь можно включить колонки и отрегулировать громкость.
6. Дополнительные функции, которые могут помочь:
   • Pad (-10/-20 dB) – используйте при записи очень громких источников;
   • Low Cut Filter (HPF) – обрезает низкие частоты, убирает гул и помехи;
   • поп-фильтр – предпочтительно всегда использовать для защиты от взрывных согласных.

Основные ошибки при работе с конденсаторными микрофонами

1. Питание (фантомное питание +48V) – это самая частая причина проблем. Если микрофон не работает вообще или дает очень тихий, искаженный сигнал, то включите опцию фантомного питания +48V на микшерном пульте, аудиоинтерфейсе или предусилителе. Убедитесь, что кнопка нажата или переключатель установлен в правильное положение.
2. Неправильное подключение/отключение «на горячую». Громкий щелчок или хлопок в колонках/наушниках при подключении или отключении микрофона может повредить аппаратуру и слух. Всегда выключайте фантомное питание до того, как подключать или отключать конденсаторный микрофон. Сначала подключите микрофон к кабелю, потом включите +48V. При отключении сначала выключите +48V, потом отсоединяйте микрофон.
3. Подача питания от неподходящего источника может спровоцировать нестабильную работу, гул, помехи. Убедитесь, что ваш источник питания (интерфейс/пульт) выдает стабильные +48V. Не пытайтесь запитать микрофон от не предназначенных для этого устройств.
4. При слишком низком уровне записи получается тихий сигнал, при усилении которого появляется много шума. Настройте предусилитель так, чтобы пиковые значения вашего сигнала находились в районе -12...-6 dBFS. Это даст хороший запас по громкости и минимизирует шумы. Не бойтесь крутить ручку Gain.
5. Слишком высокий уровень записи провоцирует искажения, цифровую перегрузку, хрип и треск. Конденсаторные микрофоны имеют высокую чувствительность и легко перегружаются. Используйте пад-аттенюатор (Pad), если он есть на микрофоне или предусилителе, для записи громких источников (ударные, гитарный кабинет). Следите за индикаторами уровня на вашем интерфейсе. Пики не должны уходить в красную зону (0 dBFS). Отодвиньте микрофон от источника звука.
6. Резкие звуки П, Б, Т вызывают неприятные хлопки и взрывные согласные. Всегда используйте поп-фильтр при записи вокала. Это неотъемлемая часть работы с конденсаторным микрофоном.
7. Правильно располагайте микрофон: изучите диаграмму направленности вашего микрофона (кардиоидная, всенаправленная и т. д.) и направляйте микрофон нужной стороной на источник звука. Учитывайте акустику помещения. Располагайте микрофон так, чтобы он меньше «слышал» отражения от стен (например, используя кардиоидную направленность).
8. Небрежное обращение и хранение могут стать причиной появления механических повреждений, внутренних неисправностей. Не дуйте в микрофон и не подвергайте его ударам. Храните в сухом месте, желательно в оригинальном кейсе. Конденсаторные микрофоны чувствительны к влажности. Резкие перепады могут привести к конденсации внутри и выходу из строя.
9. Запись в неподготовленном помещении может испортить звук. Конденсаторный микрофон уловит все проблемы вашей акустики. Используйте помещения с мягкой мебелью, коврами, шторами. Применяйте вокальные будки или создайте импровизированную защиту от отражений (например, из акустических панелей или даже одеял). Располагайтесь в центре комнаты, а не в углу.
10. При проблемах с кабелем появляются потрескивания, прерывание сигнала, нет питания. Используйте только качественные симметричные кабели (XLR-XLR). Проверяйте кабели на целостность.
11. Иногда сделан неправильный выбор микрофона – звук не подходит для задачи. Учитывайте, что большой мембранный конденсаторный микрофон отлично подходит для вокала и акустических инструментов в студии, но на живом концерте или для записи гитарного кабинета может быть не лучшим выбором из-за своей чувствительности.

Избегая этих ошибок, вы раскроете весь потенциал вашего конденсаторного микрофона и получите чистую, профессиональную запись.