Чувствительность микрофонов — что это такое, как ориентироваться в цифрах и почему они отрицательные
Содержание
Содержание
Микрофон может быть очень чувствительным. Нет, он не будет плакать от избытка чувств, когда в него поют грустную песню. Но если неправильно согласовать уровни, то он будет хрипеть, свистеть и затмит искажениями голос исполнителя. Какие типы микрофонов более чувствительные? Что лучше — высокая или низкая чувствительность? В чем она измеряется и как правильно выбрать микрофон с оптимальной чувствительностью, исходя из задач?
Что такое чувствительность микрофонов
Чувствительность микрофона связана не с эмоциями, а с выходным напряжением. Микрофон улавливает звуковые волны и превращает механическую энергию от колебаний диафрагмы в электрическую энергию:
Иными словами, чувствительность микрофона означает, насколько эффективно он превращает звуковые волны в электричество. К примеру, если поставить два микрофона рядом и максимально громко крикнуть в них, то более чувствительный микрофон выдаст более высокое напряжение — а, значит, его запись будет громче.
Разумеется, чтобы измерить чувствительность, никто не кричит в каждый микрофон. Для этого используется звуковая волна в форме синусоиды на частоте 1 кГц и с уровнем давления 1 Па. Она показывает, сколько вольт выдаст микрофон при уровне звукового давления в 1 паскаль.
Звуковое давление (SPL, sound pressure level) — это важный параметр акустики, который означает, с какой силой звуковые волны врезаются в молекулы воздуха. Прямо возле источника оно максимально, но с расстоянием падает — как круги на воде от брошенного камня. Один паскаль — эталонный уровень звукового давления, он равен 94 дБ громкости. Это довольно много и примерно соответствует шуму электрички в метро с расстояния в десяток метров, а также громкости человеческой речи с расстояния в пару сантиметров.
В микрофонах европейских производителей чувствительность обычно указана именно в мВ\Па и иногда называется «transfer factor» (коэффициент передачи):
Характеристики микрофона SENNHEISER E 835-S
В микрофонах американских производителей, как и в большинстве интернет-магазинов, чувствительность обычно указана в дБ, при этом она имеет отрицательное значение.
Характеристики микрофона TASCAM TM-80
Почему так? Это разные традиции измерений. В Америке чувствительность выражают в логарифмических единицах по следующей формуле:
При этом параметр «Выход AREF» — это гипотетический референсный микрофон с чувствительностью, равной 1 В\Па. Такой референс намного превосходит выходной сигнал любого существующего микрофона, поэтому результат вычисления по этой формуле всегда получается отрицательным. Существуют онлайн-калькуляторы, переводящие мВ\Па в дБ и обратно.
Здесь нелишним будет напомнить: чем дальше от нуля отрицательное число, тем оно меньше. Поэтому:
Зачем все это нужно? Чувствительность позволяет определить, сколько усиления потребуется выбранному микрофону для среднестатистического звукового источника. К примеру, нужно согласовать микрофон с максимальным выходным уровнем Vmax со звуковой картой с максимальным входным уровнем Vin. Чтобы понять, сколько нужно усиления, чтобы получился максимально громкий сигнал без искажений, достаточно поделить Vin на Vmax:
Например, если микрофон дает на выходе максимум 0,25 В, а звуковая карта на входе может справиться с 1 В напряжения, то итоговый коэффициент усиления будет равен 4. Разумеется, сегодня никто не вычисляет коэффициент усиления, когда втыкают микрофон в аудиокарту — для этого у последних есть индикаторы уровня сигнала, по которым все определяется интуитивно. Однако всегда полезно знать матчасть, в том числе, чтобы уметь подобрать нужный тип микрофона под задачу.
Как чувствительность зависит от типа микрофона
Конструкция микрофона оказывает большое влияние на итоговую чувствительность.
Какая чувствительность подойдет для разных задач
Как нетрудно догадаться, высокая чувствительность делает микрофон более восприимчивым к окружающим звукам. Она позволяет улавливать мельчайшие детали и говорить в микрофон с большого расстояния. Поэтому высокочувствительные конденсаторные микрофоны незаменимы, если нужно:
Низкая чувствительность имеет свои плюсы. Микрофоны с низкой чувствительностью способны записывать очень громкие звуки без искажений. Они отсекают лишние призвуки в шумном пространстве, поэтому часто применяются для:
Таким образом, высокая или низкая чувствительность — это не хорошо и не плохо, а вопрос поставленных задач. Главный вывод этой статьи — нужно следить за уровнем усиления сигнала при подключении микрофона к звуковой карте, рекордеру или компьютеру. Это крайне важно для получения чистого звука без искажений, в котором слышно все, что должно быть слышно. Если не согласовать уровни, то никакая обработка уже не исправит ситуацию. Хрипы от перегрузки микрофона не убрать программными средствами, а слабый сигнал можно будет усилить лишь вместе с шумами, в которых он в итоге и утонет.
Как выбрать микрофон
Назначение микрофона известно каждому – он применяется для преобразования акустических колебаний воздуха в электрические сигналы или, проще говоря, для записи звука.
Миниатюрные микрофоны мы используем ежедневно, порой даже не обращая на это внимания – они встроены в сотовые телефоны, в датчики звука, в домофоны и т.д. А вот микрофон как отдельное устройство в повседневной жизни применяется не так уж и часто.
Большинство людей испытывают потребность в отдельном микрофоне, только когда собираются поговорить с кем-нибудь по сети с помощью стационарного компьютера.
Ведь встроенными микрофонами, в отличие от ноутбуков и планшетов, обычные ПК не комплектуются.
Остальная область применения микрофонов больше связана с профессиональной деятельностью:
— конечно же, вокальные микрофоны, которыми пользуются деятели эстрады – кто в детстве не изображал поп-звезду, напевая в кулак, держащий воображаемый микрофон?
— отдельные микрофоны используются при снятии видеосюжетов – например от треска и шума ветра, неизбежного при съемке смартфоном на улице, легко избавиться, используя отдельный микрофон в «подушке» ветрозащиты.
— для записи интервью, студийных передач и ток-шоу используются микрофоны на прищепках, цепляемые к одежде участников передачи;
— если вы любите смотреть видеозаписи концертов, то наверняка замечали микрофоны, направленные на тот или иной музыкальный инструмент – это именно они отвечают за то, чтобы звук концерта достиг ваших ушей с минимумом искажений;
— студийные микрофоны используются, как понятно из названия, в студиях. Именно с их помощью создается львиная доля звукозаписей различных исполнителей и групп.
— видеоконференции в современном мире стремительно вытесняют обычные совещания – на них также часто используются отдельные микрофоны, ведь возможности встроенного в веб-камеру не всегда достаточно.
Характеристики микрофонов
Область применения, пожалуй, первое, на что надо обратить внимание при выборе микрофона. К счастью, производитель обычно не делает секрета из области применения микрофона.
Казалось бы, чего проще – нужен, к примеру, микрофон для записи звука ударной установки – бери модель с областью применения «для музыкальных инструментов» и всё получится.
Увы, не факт – вполне может оказаться, что выбранная модель предназначается записи звука бас-гитары и имеет максимальную частоту в 1000 Гц – звуки малых барабанов и тарелок ударной установки этот микрофон просто «не услышит». Хотя это может быть качественная дорогая модель с маркировкой «для музыкальных инструментов». Поэтому выбрать по одной только области применения не получится.
Тип микрофона обусловлен его конструкцией и принципом работы.
Конденсаторный микрофон в своей основе содержит конденсатор, одна из пластин которого прогибается под действием колебаний воздуха. Таким образом, емкость конденсатора меняется в соответствии со звуковым давлением и частотой воздействующего на микрофон звука.
Бытует мнение, что конденсаторные микрофоны – самые качественные, самые чувствительные и имеют самый широкий частотный диапазон. Это не совсем так – среди конденсаторных микрофонов есть модели разного качества, чувствительность их может быть небольшой, и частотный диапазон также может быть смещен вверх или вниз.
Другое дело, что конструкция конденсаторного микрофона – по сравнению с другими типами – обеспечивает минимум искажений записываемого звука. Поэтому конденсаторные микрофоны часто используются в качестве студийных и специализированных музыкальных – там, где требуется чистый и неискаженный звук.
Есть у конденсаторных микрофонов и недостатки:
— они стоят дороже моделей других типов;
— требуется подбирать предусилитель по характеристикам микрофона, микрофонный предусилитель стандартной звуковой карты, к примеру, не подойдет почти наверняка;
— требуется наличие фантомного питания.
На последнем пункте следует остановиться подробнее – фантомное питание является отличительной особенностью конденсаторных микрофонов. Фантомное питание нужно для создания разности потенциалов на конденсаторе – для этого на одну из пластин подается напряжение (обычно +48 В).
Фантомным оно называется, так как электрического тока (движения электрических зарядов) в цепи и питания, как такового, нет, но без этого напряжения микрофон работать не будет. Если вы желаете купить именно конденсаторный микрофон, обратите внимание на требование фантомного питания в характеристиках.
Если конденсаторный микрофон не требует фантомного питания, это может означать следующее:
— Это не конденсаторный, а электретный микрофон, и производитель даже не то чтобы врет, скорее, немного лукавит – электретные микрофоны являются разновидностью конденсаторных;
— Предусилитель с фантомным питанием входит в конструкцию микрофона, получающего питание от разъема (например, USB-микрофоны). Производитель уже подобрал подходящий предусилитель, и не нужно ломать голову над согласованием уровней. Для применения в связке с компьютером использование такого микрофона может стать оптимальным решением.
— Фантомное питание в нем создается с помощью батарейки (например, беспроводные конденсаторные микрофоны). Как и в предыдущем случае, здесь многое зависит от реализации схемы фантомного питания и от качества комплектующих. Как минимум, должен быть индикатор работы схемы фантомного питания, иначе может случиться ситуация, когда не будет понятно, чем вызвано падение качества звука – поломкой микрофона или разрядом батареи.
Отличие состоит в том, что вторая пластина электретного микрофона выполнена из электрета – материала, способного долгое время сохранять поверхностный заряд.
Такой микрофон фантомного питания не требует, но уровень выходного сигнала у него очень низок и практически все электретные микрофоны комплектуются простейшим усилителем на полевом транзисторе. Поэтому электретному микрофону не нужно фантомное питание для поляризации пластины, но нужно питание 1-9 В для встроенного усилителя.
На микрофонных входах, предназначенных для электретных микрофонов (например, на большинстве простых звуковых карт) питание идет через разъем по среднему контакту jack 3,5. Из-за количества контактов на разъеме (3) электретные микрофоны порой ошибочно считают стереофоническими и пытаются подключать к линейному стереовходу. Разумеется, при таком подключении микрофон не работает.
Простая, надежная и недорогая конструкция электретных микрофонов вместе с высокой чувствительностью привели к тому, что основная масса современных недорогих микрофонов относится именно к этому типу. В то же время из-за низкого качества комплектующих многих бюджетных моделей термин «электретный» часто ассоциируется у потребителя с плохой чувствительностью и зашумленным звуком низкого качества.
Многие электретные микрофоны прекрасно справляются со своими задачами – общение по сети, запись голоса для видеоблогов и подкастов им вполне можно поручить. Но для профессиональной деятельности лучше выбрать из «чистых» конденсаторных или динамических микрофонов.
В результате этих движений в катушке возникает электрический ток, который затем усиливается до нужного уровня.
Динамический микрофон более устойчив к перегрузкам, чем конденсаторный, это позволяет использовать его для записи громких звуков. Также динамический микрофон, в силу меньшей чувствительности, менее подвержен восприятию посторонних шумов.
Недостатками динамических микрофонов являются узкий частотный диапазон и менее «чистый» звук – возникающее при протекании тока в катушке собственное магнитное поле демпфирует колебания мембраны и записываемый звук искажается. Кроме того, конструкция динамического микрофона не допускает создания миниатюрных моделей – диаметр мембраны редко бывает менее 2 см диаметром.
Надежность, невосприимчивость к посторонним шумам и пик АЧХ в диапазоне частот человеческого голоса предопределяют сферу применения динамических микрофонов. В основном они применяются в качестве вокальных, т.е., для записи голоса, в том числе на открытых площадках, концертах и т.д.
Направленность микрофона определяется его конструкцией и показывает, с какой стороны от микрофона звук воспринимается лучше, с какой – хуже. Направленность микрофона тесно связана с его областью применения.
Микрофон с круговой направленностью одинаково хорошо воспринимает сигнал со всех сторон вокруг него.
Такой микрофон будет хорош для конференций.
Микрофон с кардиоидной (однонаправленной) направленностью практически не воспринимает звук, идущий сзади.
Такой микрофон может быть удобен как вокальный, для общения по сети и записи отдельных музыкальных инструментов.
Микрофоны с суперкадиоидной (узконаправленной) направленностью имеют спереди зону чувствительности уже, чем у микрофонов с кардиоидной направленностью, зато она у них протяженнее – в ней они могут улавливать звуки на большом расстоянии.
Также у таких микрофонов есть небольшая зона чувствительности сзади. Используются они для интервью, для видеосъемки и в качестве вокальных.
Микрофоны с направленностью «восьмеркой» (двунаправленные) одинаково хорошо воспринимают звуки спереди и сзади, а звуки по бокам микрофоном не улавливаются.
Такие модели используются для студийных интервью, для видеозаписи с закадровым голосом и т.д.
Единого стандарта на распайку микрофонных разъемов типа jack не существует, разъемы стереофонического динамического микрофона, электретного или конденсаторного монофонического с фантомным питанием могут выглядеть абсолютно одинаково, но иметь различное назначение контактов. Неправильное подключение в лучшем случае приведет к неправильной работе оборудования, в худшем – к его поломке.
Для разъемов типа USB (microUSB) или Lightning такой проблемы возникнуть не может, но микрофоны с таким разъемом, как правило, можно подключить только к компьютеру и для работы они требуют установки соответствующего драйвера.
Подключить такой микрофон к плееру, усилителю или микшеру, скорее всего, не получится, даже если на устройстве и есть ответный разъем.
Разъемы XLR используются на профессиональном оборудовании.
Такой разъем, как правило, находится на самом микрофоне, и кабель к нему нужно докупать отдельно.
Варианты выбора микрофонов
Если вам нужен недорогой микрофон для общения по Skype, выбирайте среди моделей с областью применения «общение по сети».
Если вас не устраивает качество звука с микрофона, встроенного в камеру, воспользуйтесь специализированным накамерным микрофоном для видеосъемки.
Если вам нужен ручной микрофон для выступлений на эстраде, выбирайте среди вокальных динамических микрофонов с кардиоидной направленностью или суперкардиоидной направленностью.
Для записи музыкальных инструментов в любом частотном диапазоне от бас-гитар до тарелок выбирайте среди конденсаторных микрофонов с минимальной частотой 40 Гц и ниже.
Для качественной записи звука на конференции вам потребуется всенаправленный настольный микрофон с высокой чувствительностью.
Для «прицельной» записи звука с источника на приличном расстоянии нужен микрофон с высокой чувствительностью и суперкардиоидной направленностью.
Чувствительность микрофона — что это значит?
Аналоговые и цифровые микрофоны
Чувствительность микрофона обычно измеряется путем подачи синусоидального сигнала с частотой 1 кГц и уровнем звукового давления (Sound Pressure Level, SPL) 94 дБ, что соответствует давлению 1 Па. Уровень аналогового или цифрового выходного сигнала микрофона при таком входном воздействии является мерой его чувствительности. Это значение, хоть и является одной из характеристик микрофона, ни в коей мере не дает полного представления о его качестве.
Чувствительность аналогового микрофона является интуитивно понятным показателем. Она обычно измеряется в логарифмических единицах дБ·В (децибел по отношению к 1 В) и говорит о том, каким будет выходное напряжение в вольтах при заданном уровне звукового давления. Для перевода чувствительности аналогового микрофона из линейных единиц (мВ/Па) в логарифмические единицы (дБ) можно воспользоваться следующим выражением:
где ВыходAREF — это эталонный уровень чувствительности, равный 1000 мВ/Па.
На основании этой информации можно легко подобрать подходящий коэффициент усиления предварительного усилителя для согласования уровня выходного сигнала микрофона с желаемым уровнем входного сигнала остальной части схемы или системы. Рис. 1 иллюстрирует согласование пикового выходного напряжения микрофона (VMAX) с входным напряжением полной шкалы АЦП (VIN) при помощи усилителя с коэффициентом усиления VIN/VMAX. Так, например, для согласования выходного напряжения микрофона ADMP504, которое имеет максимальный уровень 0,25 В, с АЦП, имеющим пиковое значение входного напряжения полной шкалы, равное 1 В, потребуется коэффициент усиления, равный 4 (12 дБ).
Рис. 1. Согласование выходного сигнала аналогового микрофона с входным уровнем АЦП при помощи предварительного усилителя
Чувствительность цифровых микрофонов, выражаемая в дБ по отношению к полной шкале (дБ FS), не столь интуитивно понятна. Различие в единицах измерения указывает на тонкий контраст в определениях чувствительности для аналоговых и цифровых микрофонов. В случае аналогового микрофона с выходным сигналом в виде напряжения единственным фактором, ограничивающим уровень выходного сигнала, является практическое ограничение напряжений питания системы. Хотя в большинстве случаев это нецелесообразно по практическим соображениям, никаких физических причин, по которым аналоговый микрофон не мог бы обладать чувствительностью 20 дБ·В (выходное напряжение 10 В при эталонном уровне входного сигнала), нет. Данное значение чувствительности допустимо при условии, что усилители, преобразователи и иные схемы способны поддерживать требуемые уровни сигнала.
В случае с чувствительностью цифрового микрофона разработчик имеет меньшую свободу, поскольку она зависит от единственного параметра проекта — максимального акустического входного сигнала. Когда максимальный уровень входного акустического сигнала микрофона отображается в значение полной шкалы цифрового кода (единственно разумный вариант отображения), чувствительность всегда должна быть равна разности между данным уровнем акустического сигнала и эталонным уровнем звукового давления (94 дБ). Таким образом, если максимальный уровень звукового давления микрофона равен 120 дБ, чувствительность микрофона будет равна –26 дБ FS (94–120 дБ). Изменить проект так, чтобы цифровой выходной сигнал при заданном уровне входного акустического сигнала был выше, невозможно без уменьшения максимального входного акустического сигнала на ту же величину.
Чувствительность цифровых микрофонов измеряется в процентах от выходного сигнала полной шкалы, соответствующего входному сигналу с уровнем звукового давления 94 дБ. Уравнение, позволяющее преобразовать чувствительность цифрового микрофона из линейных единиц в логарифмические, выглядит следующим образом:
где ВыходDREF — это уровень полной шкалы выходного цифрового сигнала.
И, наконец, еще один часто вводящий в заблуждение вопрос при сравнении аналоговых и цифровых микрофонов связан с применением пиковых и среднеквадратических значений. Акустические уровни входного сигнала микрофона, указываемые в дБ, — это всегда среднеквадратические значения, независимо от типа микрофона. В качестве эталонного уровня для выходного сигнала аналоговых микрофонов используется среднеквадратическое напряжение 1 В. Это вызвано тем, что для сравнения уровней аналоговых звуковых сигналов наиболее часто применяют среднеквадратические значения. В свою очередь, чувствительность и уровень выходного сигнала цифровых микрофонов указываются через пиковые значения, поскольку они привязаны к цифровому коду полной шкалы, также являющемуся пиковым значением. Тот факт, что для указания выходного сигнала цифровых микрофонов используются пиковые значения, как правило, необходимо учитывать при разработке последующих алгоритмов обработки, в которых может потребоваться знание точных уровней сигналов. Так, например, в алгоритмах преобразования динамического диапазона (компрессорах, ограничителях и пороговых шумоподавителях) пороги обычно выставляются по среднеквадратическим уровням, поэтому при обработке выходного сигнала цифрового микрофона необходимо перейти от пиковых к среднеквадратическим значениям, вычтя соответствующую величину. Для синусоидального входного сигнала среднеквадратическое значение на 3 дБ ниже пикового, в то время как для сигналов более сложной формы это соотношение может быть иным. Рассмотрим в качестве примера микрофон МЭМС ADMP421, имеющий цифровой выход в формате с модуляцией плотности потока импульсов (pulse-density-modulated, PDM), чувствительность которого составляет –26 дБ FS. При синусоидальном входном сигнале с уровнем звукового давления 94 дБ пиковый выходной уровень будет равен –26 дБ FS, а среднеквадратический — –29 дБ FS.
Поскольку выходные сигналы цифровых и аналоговых микрофонов имеют разные единицы измерения, непосредственное сравнение этих двух типов микрофонов затруднено. В то же время в акустической области они работают с одной и той же единицей измерения — уровнем звукового давления. Независимо от формата выходного сигнала микрофона (аналоговое напряжение, цифровой сигнал в формате PDM или цифровой сигнал в формате I 2 S) максимальный входной акустический сигнал и отношение сигнал-шум (разница между эталонным уровнем звукового давления 94 дБ и уровнем шума) можно сравнивать напрямую. Рис. 2 иллюстрирует взаимосвязь между акустическим входным сигналом и уровнями выходного сигнала аналогового и цифрового микрофонов при заданном значении чувствительности. Рис. 2a соответствует аналоговому микрофону ADMP504, который обладает чувствительностью –38 дБ·В и отношением сигнал-шум 65 дБ. Изменение его чувствительности относительно эталонного уровня звукового давления (94 дБ), указанного слева, означает перемещение шкалы выходного сигнала в дБ·В вверх (повышение чувствительности) или вниз (уменьшение чувствительности).
Рис. 2. Отображение входного акустического сигнала:
а) уровень выходного напряжения аналогового микрофона;
б) уровень цифрового выходного сигнала цифрового микрофона
Рис. 2б соответствует цифровому микрофону ADMP521, который обладает чувствительностью –26 дБ FS и отношением сигнал-шум 65 дБ. Приведенный пример отображения уровней показывает, что чувствительность цифрового микрофона невозможно подстроить, не нарушив соотношения между максимальным уровнем входного акустического сигнала и значением полной шкалы цифрового кода. Такие характеристики, как отношение сигнал-шум, динамический диапазон, ослабление пульсаций напряжения питания и полный уровень гармонических искажений (THD), лучше отражают качество микрофона, чем чувствительность.
Выбор чувствительности и коэффициента усиления
Микрофон с высокой чувствительностью не всегда лучше микрофона с низкой чувствительностью. Чувствительность дает определенную информацию о характеристиках микрофона, но не о его качестве. То, насколько хорошо отдельно взятый микрофон подходит для конкретной задачи, определяется соотношением уровня шума микрофона, точки ограничения, уровня искажений и чувствительности. Для микрофона с высокой чувствительностью может потребоваться меньший коэффициент усиления в предварительном усилителе, однако в то же время он может иметь меньший запас относительно точки ограничения по сравнению с микрофоном, обладающим меньшей чувствительностью.
В задачах приема сигнала в ближней зоне, например в сотовых телефонах, где микрофон находится близко к источнику сигнала, более вероятно, что микрофон с большей чувствительностью достигнет максимального уровня входного акустического сигнала, попадет в ограничение и будет давать искажения. С другой стороны, большее значение чувствительности может быть предпочтительнее для приема сигнала в дальней зоне, например в телефонах с громкой связью и видеокамерах охранных систем, где уровень звукового сигнала ослабевает по мере увеличения расстояния от источника до микрофона. Рис. 3 иллюстрирует влияние расстояния от источника звука до микрофона на уровень звукового давления. При каждом удвоении расстояния от источника акустического сигнала его уровень уменьшается на 6 дБ (вдвое).
Рис. 3. Уменьшение уровня звукового давления на входе микрофона по мере увеличения расстояния от источника
Для примера на рис. 4 показаны типичные значения уровней звукового давления для различных источников звука — от тихой записи в студии (менее 10 дБ) до уровня болевого порога (более 130 дБ, уровень звука, вызывающий болевые ощущения у среднестатистического человека). Микрофоны редко способны перекрыть весь этот диапазон или большую его часть, поэтому на этапе проектирования важно выбрать подходящий микрофон с учетом требуемого диапазона уровней звукового давления. Для согласования уровня выходного сигнала микрофона в представляющем интерес динамическом диапазоне с типичным рабочим диапазоном тракта обработки звуковых частот следует использовать информацию, которую дает значение чувствительности.
Рис. 4. Уровень звукового давления для различных источников
Аналоговые микрофоны имеют широкий диапазон возможных значений чувствительности. Некоторые динамические микрофоны могут иметь чувствительность на уровне всего –70 дБ·В. Некоторые конденсаторные микрофонные модули содержат интегрированные предварительные усилители и поэтому обладают очень высокой чувствительностью вплоть до –18 дБм. Большинство аналоговых электретных микрофонов и микрофонов на основе технологии МЭМС обладают чувствительностью в диапазоне от –46 до –35 дБ·В (5–17,8 мВ/Па). Этот уровень является разумным компромиссом между шумовым порогом, которому в микрофонах МЭМС ADMP504 и ADMP521, например, соответствует уровень звукового давления всего 29 дБ, и максимальным входным акустическим сигналом (типичный уровень звукового давления около 120 дБ). Чувствительность аналогового микрофона можно отрегулировать в цепи предварительного усилителя, который зачастую интегрируется в один корпус с преобразовательным элементом.
Несмотря на очевидное отсутствие гибкости в выборе чувствительности цифрового микрофона, уровень его выходного сигнала легко может быть отрегулирован при помощи цифрового усиления в цифровом процессоре. Если процессор имеет достаточную разрядность для представления всего динамического диапазона исходного сигнала микрофона, цифровое усиление не приведет к ухудшению шумового уровня сигнала. В аналоговой схеме каждый усилительный каскад будет вносить некоторый дополнительный шум в сигнал, и разработчик системы должен гарантировать, что шум, вносимый каскадами, не приведет к ухудшению качества звукового сигнала. В качестве примера рассмотрим микрофон ADMP441 с цифровым выходом в формате I 2 S, который обладает максимальным уровнем звукового давления 120 дБ (чувствительность –26 дБ FS) и эквивалентным входным шумом, соответствующим уровню звукового давления 33 дБ (отношение сигнал-шум 61 дБ). Динамический диапазон микрофона равен разности между наибольшим (максимальный уровень звукового давления) и наименьшим (шумовой порог) уровнями сигнала, которые он способен достоверно воспроизводить. Для ADMP441 он равен 120–33 = 87 дБ и может быть представлен 15-разрядным цифровым словом. Сдвиг данных в цифровом слове на 1 бит приводит к изменению уровня сигнала на 6 дБ, поэтому даже 16-разрядный процессор с динамическим диапазоном 98 дБ допускает в данном случае усиление или ослабление на 11 дБ без ухудшения исходного динамического диапазона. Обратите внимание на то, что во многих процессорах максимальный входной акустический сигнал цифрового микрофона отображается в уровень полной шкалы внутреннего формата данных процессора. При таком отображении добавление любого усиления уменьшает динамический диапазон на соответствующую величину и снижает точку ограничения системы. Так, при работе с ADMP441 добавление усиления 4 дБ в процессоре приведет к ограничению сигнала в системе при подаче сигнала с уровнем звукового давления 116 дБ, если запас между уровнем полной шкалы сигнала и полной шкалой формата данных отсутствует.
На рис. 5 изображен цифровой микрофон с выходом I 2 S или PDM, подключенный непосредственно к цифровому сигнальному процессору. В данной конфигурации применение промежуточного каскада усиления не требуется, поскольку пиковый уровень выходного сигнала микрофона уже соответствует полной шкале формата входного слова процессора.
Рис. 5. Сигнальный тракт с непосредственным подключением цифрового микрофона к цифровому сигнальному процессору
Заключение
В статье даны пояснения, что такое чувствительность микрофона, как учитывать ее при проектировании каскадов усиления и почему, несмотря на связь между чувствительностью и отношением сигнал-шум, первый параметр не является показателем качества микрофона в отличие от второго. Независимо от типа используемого микрофона приведенная информация позволит разработчику подобрать наиболее подходящее для решения конкретной задачи устройство и добиться максимальных показателей от выбранного продукта.