Mikrofón, zariadenie, ktoré premieňa zvukové vlny na elektrický signál, je dnes neodmysliteľnou súčasťou nášho každodenného života. Používame ho v telefónoch, počítačoch, reproduktorových systémoch, pri nahrávaní hudby, vo vede, medicíne a mnohých ďalších oblastiach. Ale kto vlastne stál pri zrode tohto revolučného zariadenia a ako funguje táto malá, no tak mocná technológia?
História mikrofónu nie je príbehom jedného osamelého génia, ale skôr postupným vývojom a vylepšovaním rôznych konceptov a nápadov. Pripisovať vynález mikrofónu jednej konkrétnej osobe je zjednodušujúce a nepresné. Realita je oveľa bohatšia a zahrňuje príspevky viacerých vynálezcov a vedcov, ktorí pracovali na podobných princípoch v rôznych obdobiach.
Medzi prvých, ktorí sa zaoberali premenou zvuku na elektrický signál, patríAlexander Graham Bell, známy predovšetkým vďaka patentovaniu telefónu. Hoci Bellov telefón spočiatku používal ako mikrofón aj reproduktor rovnaké elektromagnetické zariadenie, čoskoro si uvedomil potrebu špecializovaného mikrofónu. Jeho "kvapalinový mikrofón" z roku 1876, hoci bol primitívny, predstavoval dôležitý krok vpred. Fungoval na princípe zmeny elektrického odporu kvapaliny vplyvom zvukových vĺn. Bol však nepraktický a nespĺňal požiadavky na kvalitný prenos zvuku.
Významný prelom nastal v roku 1877, kedyEmile Berliner, nemecko-americký vynálezca, predstaviluhlíkový mikrofón. Berlinerov mikrofón, založený na princípe zmeny elektrického odporu uhlíkových granúl pod tlakom zvukových vĺn, bol oveľa citlivejší a praktickejší ako Bellov kvapalinový mikrofón. Uhlíkový mikrofón sa stal štandardom pre telefóniu na niekoľko desaťročí a zohral kľúčovú úlohu v rozvoji telekomunikácií. Berliner je preto často označovaný ako jeden z hlavných "otcov" moderného mikrofónu, hoci jeho práca stavala na predchádzajúcich výskumoch a experimentoch.
Paralelne s Berlinerom pracoval na vylepšovaní mikrofónu ajDavid Edward Hughes, britsko-americký vynálezca. Hughes v roku 1878 predstavil svoj uhlíkový mikrofón, ktorý bol nezávisle vyvinutý a zdokonalený oproti Berlinerovmu dizajnu. Hughesov mikrofón bol dokonca citlivejší a kvalitnejší, no Hughes si svoj vynález nedal patentovať a prezentoval ho skôr ako vedecký nástroj. Hoci Hughesova skromnosť a nepatentovanie jeho vynálezu spôsobili, že Berliner získal väčšie uznanie, Hughesove príspevky boli rovnako dôležité pre vývoj uhlíkového mikrofónu a jeho prvé praktické využitie.
Vývoj mikrofónu však nekončil uhlíkovým mikrofónom. Začiatkom 20. storočia sa objavili nové typy mikrofónov, ktoré prekonávali obmedzenia uhlíkových mikrofónov v oblasti frekvenčnej odozvy a kvality zvuku. V roku 1916 patentovalEdward C. Wente v Bell Laboratorieskondenzátorový mikrofón, často označovaný aj ako elektrostatický mikrofón. Kondenzátorový mikrofón, využívajúci princíp zmeny kapacity kondenzátora vplyvom zvukových vĺn, priniesol výrazné zlepšenie v kvalite zvuku a stal sa štandardom pre profesionálne nahrávanie a vysielanie. Wenteho inovácia bola kľúčová pre rozvoj zvukového záznamu a rozhlasového vysielania v 20. storočí.
V 20. a 21. storočí sa vývoj mikrofónov dynamicky rozvíjal. Objavili sadynamické mikrofóny,páskové mikrofóny,piezoelektrické mikrofóny,MEMS mikrofóny a mnoho ďalších typov, každý s vlastnými špecifickými vlastnosťami a aplikáciami. Každý z týchto typov mikrofónov predstavuje ďalší krok vpred v snahe o dokonalé zachytenie a prenos zvuku. Vývoj mikrofónu je teda nepretržitý proces inovácií a vylepšovaní, ktorý trvá dodnes.
Princíp fungovania mikrofónu je založený na premene mechanickej energie zvukových vĺn na elektrickú energiu. Zvukové vlny, ktoré sa šíria vzduchom, sú v skutočnosti vibrácie vzduchu. Keď zvukové vlny dopadnú na mikrofón, rozochvejú jehomembránu, čo je tenká, citlivá membrána, ktorá je kľúčovou súčasťou mikrofónu. Pohyb membrány sa následne prenáša na ďalšie komponenty mikrofónu, ktoré už priamo generujú elektrický signál úmerný intenzite a frekvencii zvukových vĺn.
Rôzne typy mikrofónov využívajú rôzne mechanizmy pre premenu pohybu membrány na elektrický signál. Poďme sa bližšie pozrieť na princípy fungovania najbežnejších typov mikrofónov:
Dynamický mikrofón, jeden z najrozšírenejších typov mikrofónov, využíva princípelektromagnetickej indukcie. Membrána dynamického mikrofónu je spojená scievkou, ktorá sa nachádza vmagnetickom poli, ktoré vytvára permanentný magnet. Keď zvukové vlny rozochvejú membránu, cievka sa pohybuje v magnetickom poli. Podľa Faradayovho zákona elektromagnetickej indukcie, pohyb vodiča (cievky) v magnetickom poli indukuje v vodiči elektrické napätie. Toto indukované napätie je úmerné rýchlosti pohybu cievky, a teda aj intenzite zvukových vĺn. Dynamické mikrofóny sú robustné, odolné voči vlhkosti a hrubému zaobchádzaniu, a preto sa často používajú na javiskové vystúpenia a v náročných podmienkach. Sú menej citlivé ako kondenzátorové mikrofóny, ale pre mnohé aplikácie je ich citlivosť dostatočná.
Kondenzátorový mikrofón, ako už názov napovedá, využíva princíp zmenykapacity kondenzátora. Kondenzátor v mikrofóne tvoria dve vodivé dosky, pričom jednou z dosiek je membrána mikrofónu, ktorá je veľmi tenká a pohyblivá. Druhá doska je pevná. Medzi doskami kondenzátora je aplikované konštantnépolarizačné napätie (buď permanentne nabitý elektret alebo externé napájanie). Keď zvukové vlny rozochvejú membránu, vzdialenosť medzi doskami kondenzátora sa mení, čo vedie k zmene kapacity kondenzátora. Zmena kapacity kondenzátora spôsobuje zmenu náboja na doskách kondenzátora, a tým aj zmenu elektrického napätia. Táto zmena napätia je úmerná intenzite zvukových vĺn. Kondenzátorové mikrofóny sú oveľa citlivejšie ako dynamické mikrofóny a majú širší frekvenčný rozsah, čo znamená, že dokážu zachytiť širšie spektrum zvukov, od hlbokých basov až po vysoké výšky. Preto sa kondenzátorové mikrofóny často používajú v štúdiách pre nahrávanie hudby a v situáciách, kde sa vyžaduje vysoká kvalita zvuku a detailné zachytenie nuáns.
Páskový mikrofón je typ dynamického mikrofónu, ktorý namiesto cievky používa tenký, zvlnenýkovový pás (zvyčajne hliníkový) zavesený v magnetickom poli. Zvukové vlny rozochvejú pás, ktorý sa pohybuje v magnetickom poli a indukuje v ňom elektrické napätie, podobne ako v dynamickom mikrofóne s cievkou. Páskové mikrofóny sú známe svojimteplým, prirodzeným a "hladkým" zvukom. Majú tendenciu jemne potláčať ostré sykavky a výšky, čo ich robí ideálne pre nahrávanie vokálov, dychových nástrojov a bicích. Páskové mikrofóny sú však menej robustné ako dynamické mikrofóny s cievkou a sú citlivejšie na nárazy a vietor. Tiež majú zvyčajne nižšiu citlivosť a vyžadujú silnejší predzosilňovač. Páskové mikrofóny sú považované za klasiku v nahrávacích štúdiách a oceňujú sa pre svoj charakteristický zvukový podpis.
Piezoelektrický mikrofón využívapiezoelektrický jav, čo je vlastnosť niektorých kryštálov a keramických materiálov generovať elektrické napätie pri mechanickom namáhaní alebo deformácii. V piezoelektrickom mikrofóne je membrána spojená spiezoelektrickým kryštálom. Keď zvukové vlny rozochvejú membránu, membrána deformuje kryštál, čo vedie k generovaniu elektrického napätia. Piezoelektrické mikrofóny sú veľmi malé, robustné a relatívne lacné. Často sa používajú v kontaktných mikrofónoch (napr. pre akustické gitary), snímačoch vibrácií a v aplikáciách, kde je dôležitá malá veľkosť a odolnosť. Kvalita zvuku piezoelektrických mikrofónov však zvyčajne nie je taká vysoká ako u dynamických alebo kondenzátorových mikrofónov, a preto sa menej často používajú pre profesionálne nahrávanie zvuku.
MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) mikrofón je moderný typ mikrofónu, ktorý využíva mikro-elektro-mechanické systémy. MEMS mikrofóny sú vyrábané pomocoumikrofabrikácie, čo umožňuje vytvárať extrémne malé a komplexné zariadenia na kremíkových čipoch. V MEMS mikrofóne je membrána a ďalšie komponenty mikrofónu integrované priamo na kremíkovom čipe. MEMS mikrofóny môžu byťkondenzátorové alebopiezoelektrické. Vďaka svojej extrémne malej veľkosti, nízkej cene a nízkej spotrebe energie sa MEMS mikrofóny stali dominantnou technológiou pre mobilné telefóny, tablety, notebooky a ďalšie prenosné zariadenia. Kvalita zvuku MEMS mikrofónov sa neustále zlepšuje a v mnohých aplikáciách už dosahuje úroveň tradičných mikrofónov.
Pri výbere mikrofónu je dôležité zvážiť jeho technické parametre, ktoré určujú jeho výkon a vhodnosť pre rôzne aplikácie. Medzi najdôležitejšie parametre mikrofónov patria:
Frekvenčná odozva mikrofónu udáva, aký rozsah frekvencií (od najnižších po najvyššie) mikrofón dokáže efektívne zachytiť. Udáva sa v hertzoch (Hz) a kilohertzoch (kHz). Ľudský sluch vníma frekvencie približne od 20 Hz do 20 kHz. Mikrofóny sširokou frekvenčnou odozvou (napr. 20 Hz - 20 kHz alebo širšou) dokážu zachytiť celé spektrum počuteľných zvukov, čo je dôležité pre nahrávanie hudby a vysielanie. Mikrofóny sužšou frekvenčnou odozvou môžu byť vhodné pre špecifické aplikácie, napríklad pre hovorovú komunikáciu, kde nie je potrebné zachytiť veľmi nízke alebo veľmi vysoké frekvencie. Frekvenčná odozva sa často zobrazuje graficky ako krivka, ktorá ukazuje, ako mikrofón reaguje na rôzne frekvencie. Ideálny mikrofón by mal mať rovnú frekvenčnú odozvu v celom rozsahu, ale v praxi sa frekvenčná odozva mikrofónov líši a je jednou z charakteristických vlastností jednotlivých typov a modelov.
Citlivosť mikrofónu udáva, ako efektívne mikrofón premieňa akustický tlak na elektrický signál. Vyjadruje sa v decibeloch (dB) alebo milivoltoch na pascal (mV/Pa). Mikrofón svyššou citlivosťou dokáže zachytiť ajslabšie zvuky a generuje silnejší výstupný signál. Citlivosť je dôležitá v situáciách, kde sa nahrávajú tiché zvuky alebo keď je potrebné mikrofón umiestniť ďalej od zdroja zvuku. Kondenzátorové mikrofóny sú zvyčajne citlivejšie ako dynamické mikrofóny. Pri porovnávaní citlivosti mikrofónov je dôležité brať do úvahy ajúroveň šumu mikrofónu. Mikrofón s vysokou citlivosťou a nízkym šumom bude schopný zachytiť aj veľmi tiché zvuky s minimálnym rušením.
Impedancia mikrofónu je jeho elektrický odpor voči striedavému prúdu. Udáva sa v ohmoch (Ω). Mikrofóny sa zvyčajne delia nanízkoimpedančné (do 600 Ω) avysokoimpedančné (nad 10 kΩ).Nízkoimpedančné mikrofóny sú preferované pre profesionálne aplikácie, pretože umožňujú prenos signálu na dlhšie vzdialenosti bez straty kvality a sú menej náchylné na rušenie.Vysokoimpedančné mikrofóny sa častejšie používajú v spotrebnej elektronike a pre menej náročné aplikácie. Pre správne prepojenie mikrofónu s predzosilňovačom alebo mixážnym pultom je dôležité, aby impedancia mikrofónu a vstupná impedancia zariadenia boli kompatibilné. V ideálnom prípade by vstupná impedancia zariadenia mala byť aspoň päťkrát vyššia ako impedancia mikrofónu.
Smerová charakteristika mikrofónu popisuje, ako mikrofón reaguje na zvuky prichádzajúce z rôznych smerov. Existuje niekoľko základných typov smerových charakteristík:
Výber smerovej charakteristiky závisí od konkrétnej aplikácie a od akustických podmienok prostredia. Pre hovorovú komunikáciu a spev v hlučnom prostredí sú vhodné smerové mikrofóny (kardioidné, superkardioidné), ktoré potláčajú nežiaduce zvuky z okolia. Pre nahrávanie ambientných zvukov alebo zborov sú vhodnejšie všesmerové mikrofóny.
Mikrofón, pôvodne vynájdený pre telefóniu, si rýchlo našiel uplatnenie v mnohých ďalších oblastiach. Dnes je mikrofón všadeprítomný a zohráva kľúčovú úlohu v rôznych technológiách a odvetviach:
Telefónia bola a stále je jednou z najdôležitejších aplikácií mikrofónov. Od prvých telefónov s uhlíkovými mikrofónmi až po moderné smartfóny s MEMS mikrofónmi, mikrofón umožňuje prenos hlasu na diaľku. Mikrofóny sú tiež neodmysliteľnou súčasťouvideokonferenčných systémov,hlasových asistentov (napr. Siri, Alexa, Google Assistant),hlasového ovládania zariadení ainterkomov.
Mikrofóny sú základným nástrojom prenahrávanie hudby,hovoreného slova,zvukových efektov aambientných zvukov. Používajú sa vnahrávacích štúdiách,rádiových a televíznych štúdiách,pri výrobe filmov,v podcastoch apri domácom nahrávaní. Mikrofóny sú tiež súčasťoureproduktorových systémov, ktoré umožňujú prenos hlasu a zvuku na verejných priestranstvách, v konferenčných sálach, na koncertoch a na športových podujatiach.
Mikrofóny sa používajú vakustike aaudiológii pre meranie a analýzu zvuku.Ultrazvukové mikrofóny sa používajú vmedicínskej diagnostike (napr. ultrazvukové vyšetrenie) a vpriemyselnej defektoskopii.Hydrofóny, špeciálne mikrofóny určené pre nahrávanie zvuku pod vodou, sa používajú voceanografii amorskej biológii pre štúdium morského života a morského prostredia.
Mikrofóny sú súčasťoubezpečnostných systémov amonitorovacích zariadení. Používajú sa vbezpečnostných kamerách,alarmových systémoch,odposlúvacích zariadeniach adetektoroch hluku. Mikrofóny môžu byť použité prehlasovú biometriu pre identifikáciu a autentifikáciu osôb.
Mikrofóny sú integrované do širokej škályspotrebnej elektroniky, vrátanesmartfónov,tabletov,notebookov,počítačových hier,herných konzol,slúchadiel s mikrofónom areproduktorov. Používajú sa prehlasové hovory,videohovory,hlasové ovládanie,online hry amultimediálne aplikácie.
Mikrofóny sa používajú vpriemyselných aplikáciách premonitorovanie strojov a zariadení,detekciu únikov plynu akontrolu kvality. Vdoprave sa mikrofóny používajú vsystémoch rozpoznávania reči v automobiloch, vleteckej komunikácii a vnámornej navigácii.
Aj vovesmírnom výskume majú mikrofóny svoje uplatnenie. Používajú sa nanahrávanie zvukov vo vesmíre (napr. zvuky vetra na Marse, zvuky dopadu meteoritov na Mesiaci),komunikáciu astronautov amonitorovanie systémov vesmírnych lodí.
Vývoj mikrofónov neustále pokračuje a v budúcnosti môžeme očakávať ďalšie inovácie a vylepšenia. Medzi trendy a smery vývoja mikrofónov patria:
Trendminiatúrizácie bude pokračovať aMEMS mikrofóny sa budú ďalej zmenšovať a integrovať do ešte menších zariadení. Budeme svedkami ďalšieho rozvojainteligentných mikrofónov, ktoré budú integrovaťprocesory prespracovanie zvuku priamo v mikrofóne. To umožní pokročilé funkcie, ako jepotlačenie šumu,rozpoznávanie reči asmerové snímanie zvuku priamo v mikrofóne.
Výrobcovia sa budú naďalej snažiť ovylepšenie kvality zvuku mikrofónov, najmä v oblastifrekvenčnej odozvy,citlivosti,dynamického rozsahu anízkeho šumu. Budú sa vyvíjať nové materiály a technológie pre membrány a prevodníky, ktoré umožnia dosiahnuť ešte vyššiu vernosť a presnosť zachytenia zvuku.
Môžeme očakávať vzniknových typov mikrofónov, ktoré budú využívaťalternatívne fyzikálne princípy pre premenu zvuku na elektrický signál. Napríkladoptické mikrofóny, ktoré využívajú svetlo pre snímanie vibrácií membrány, alebokapacitné mikrofóny na báze grafénu, ktoré by mohli dosiahnuť extrémne vysokú citlivosť a frekvenčnú odozvu. Mikrofóny si nájdu nové aplikácie v oblastirozšírenej a virtuálnej reality,internetu vecí,zdravotníctva ainteligentných miest.
Integráciaumelej inteligencie do mikrofónov prinesie nové možnosti v oblastirozpoznávania reči,analýzy zvuku ainteligentného spracovania zvuku. Mikrofóny s umelou inteligenciou budú schopnéautomaticky potláčať šum,rozpoznávať emócie v hlase,identifikovať zdroje zvuku ainterpretovať zvukové scény. To otvorí dvere pre nové aplikácie v oblastiautomatizácie,robotiky,bezpečnosti amedicíny.
Mikrofón, od svojich skromných začiatkov, prešiel dlhú cestu vývoja a stal sa jedným z najdôležitejších technologických vynálezov modernej doby. Jeho neustály vývoj a inovácie nás budú sprevádzať aj v budúcnosti a otvárať nové možnosti pre komunikáciu, technológie a poznanie sveta okolo nás.
tags: #Mikrofon