Электретные микрофоны используются не только для приема звука. На протяжении десятилетий они использовались в системах безопасности для обнаружения неожиданных изменений давления воздуха в помещениях, а в последнее время их можно встретить в вейпах в качестве датчиков всасывания (или, более технически, «датчиков тяги», согласно недавней разборке Брайана Диперта) [1].
Отличное описание их конструкции и использования, дополненное фотографиями в разобранном виде, можно найти на странице сайта Open Music Labs [2]. Капсюли, которые нашлись у меня под рукой, были очень похожи на те, что показаны на Open Music, – 10 мм в диаметре и 6 мм в высоту. Эксперименты по проверке их частотной характеристики (практические подробности будут позже) показали устойчивый спад в 6 дБ/окт на частотах ниже примерно 15 Гц, что означало, что фильтр с обратной характеристикой может выровнять характеристику до долей Герца. Так оно и оказалось!
Схема эквалайзера
Простая, но способная это сделать схема, представлена на Рисунке 1.
 |
|
| Рисунок 1. | Простой эквалайзер может расширить низкочастотный отклик электретного микрофона до значений значительно ниже 1 Гц. |
Хотя она и создает некоторые проблемы, которые мы рассмотрим позже, она работает и показывает, что происходит. Сопротивление резистора R1 выбрано таким, чтобы на микрофоне была примерно половина напряжения шины питания, а усилитель A1 усиливает сигнал приблизительно на 21 дБ. На очень низких частотах каскад A2 имеет максимальное усиление порядка 30 дБ. Оно снижается на 6 дБ/окт примерно от 160 мГц и выше, достигая единичного усиления на частоте около 4.8 Гц. Элементы C3/4 и R7/8 определяют подъем и спад отклика, а A3 обеспечивает соответствующее усиление. (Не показан разделитель шин, создающий искусственную среднюю точку питания). В схеме использовались операционные усилители MCP6022, выбранные из-за их низкого входного напряжения смещения.
Точка спада на 3 дБ в значительной степени определяется элементами C1/R2. (Подбор номиналов R5, R6 и C2 и добавление дополнительного резистора последовательно с C2, в принципе, позволили бы выровнять характеристику конкретного микрофона, чтобы получить плоский отклик от нескольких сотен миллигерц до его верхней границы).
На Рисунке 2 показан общий отклик на изменения давления воздуха с точками спада на 3 дБ на частотах примерно 500 мГц и 12 Гц. Хотя эта кривая получена с помощью LTspice, она точно соответствует реальным измерениям.
 |
|
| Рисунок 2. | Реакция схемы на Рисунке 1 на изменения давления воздуха при разных частотах. |
Проверка частотной характеристики
Такая уверенность в реальном отклике может вызвать недоумение, учитывая, как сложно добиться достойного звучания басов даже в самых лучших Hi-Fi системах. Пришлось изготовить специальный испытательный стенд, в котором небольшой динамик создавал изменения давления в герметичной камере, содержащей тестируемый микрофон. Он показан на Рисунке 3.
 |
|
| Рисунок 3. | Два изображения испытательного стенда, позволяющего измерять частотную характеристику микрофона в субгерцовом диапазоне. |
Стенд состоит из литого под давлением корпуса со степенью защиты IP68, оснащенного 50-миллиметровым динамиком с пластиковым диффузором (42 Ом) и крышкой от банки с вареньем. Сама банка является тестовой камерой для микрофонов, которые можно менять благодаря наличию контактов. Все было запечатано большим количеством эпоксидной смолы, плюс немного лака на случай, если останутся небольшие отверстия. Щедрый слой силиконовой смазки гарантировал, что банка будет сидеть почти герметично. Динамик возбуждался простым самодельным синусоидальным генератором, основанным на сглаженных треугольных импульсах [3], два диапазона которого охватывали полосу от 90 мГц до 11 Гц.
На самом деле это версия Mark 31). Mark 1 был создан на основе укороченного флакона от таблеток с широким горлышком и прикрепленным к нему динамиком, что было достаточно для первоначальных тестов, но пропускало слишком много окружающего шума для серьезной работы. В Mark 2 в качестве экрана за динамиком была добавлена банка из-под варенья, но стенки флакона по-прежнему были слишком гибкими. Более жесткая конструкция Mark 3 работала хорошо, имея равномерную в пределах одного децибела нескорректированную частотную характеристику примерно от 20 до 200 Гц. (Ее основной объемный резонанс был на частоте около 550 Гц – слишком высокой, чтобы повлиять на наши результаты).
Моделирование, в основном аппаратное
Для проверки характеристик самого стенда на самых низких частотах потребовалось некоторое моделирование, но на аппаратном уровне, а не только с помощью SPICE. Разборка микрофона до появления доступа к полевому транзистору (Sanyo 2SK156) и добавление к нему некоторых компонентов позволили управлять им электрически, а не акустически, и при этом схема выглядела как настоящая – или почти. Несоответствие оригинальной схеме не повлияло на частотную характеристику, но пролило свет на некоторые неожиданные особенности ее поведения. Простая схема приведена на Рисунке 4. Эта концепция также хорошо работает в LTspice при использовании модели полевого транзистора с p-n переходом (JFET) по умолчанию – «NJF» – и является частью модели на Рисунке 2.
 |
|
| Рисунок 4. | Схема, моделирующая реальный электретный микрофон. |
Частотные характеристики, измеренные после успокоения схемы с использованием испытательного стенда и моделируемого микрофона, совпали, как и моделирование в LTspice. С моделируемым микрофоном успокоение заняло несколько секунд, как и ожидалось, учитывая большие постоянные времени схемы, но с реальным микрофоном это заняло в разы больше времени. Может быть, диафрагма ослабла или что-то в этом роде? Другой микрофон, разобранный до состояния, когда остался только JFET, вел себя аналогичным образом (и, благодаря плавающему выводу затвора, стал датчиком сетевых наводок почти электрометрического качества)!
Странное поведение JFET и как это исправить
Казалось, что затвор JFET вел себя неправильно. Почему? Возможно, при подаче питания в него инжектировался, а затем медленно утекал заряд? Плавное повышение напряжения немного изменило ситуацию, но не настолько, чтобы объяснить ее полностью. Похоже, что доминирует утечка, и заряд затвора, постепенно выравниваясь, создает длинный, медленный «хвост», который все же достаточно быстр, чтобы вызвать смещение на выходе схемы, даже с двумя RC-цепями, пытающимися его заблокировать. При низком импедансе затвора моделируемого микрофона такие эффекты пренебрежимо малы. Это то, что никогда не проявилось бы в работе со звуком.
Из этого можно сделать вывод, что нижняя точка спада характеристики микрофона на 3 дБ определяется не постоянной времени полевого транзистора, а внутренней «акустикой» микрофона. Но, если мы хотим, чтобы схема устанавливалась за разумное время, эта дополнительная, неустранимая постоянная времени все же требует решения. Если заряд затвора должно медленно смещаться к равновесию под влиянием утечки, можем ли мы при запуске ввести в затвор порцию компенсирующего заряда? Эксперименты с использованием схемы на Рисунке 5 были успешными, хотя и эмпирическими; результаты были получены методом проб и ошибок. Закорачивание резистора R1 примерно на 3 мс дало импульс, вдвое превышающий конечное напряжение на микрофоне, и это оказалось оптимальным для имеющихся капсюлей, используемых в схеме. Время установления все еще составляет около 10-15 секунд, но это гораздо лучше, чем более минуты.
 |
|
| Рисунок 5. | Несколько миллисекунд повышенного напряжения, приложенного к микрофону при запуске, инжектируют заряд, достаточный чтобы компенсировать бóльшую часть долговременного начального дрейфа полевого транзистора. |
Это также полезно в случае перегрузки, когда выходное напряжение выходит за пределы шкалы. Если это произойдет, теперь вы можете воспользоваться проверенным временем способом: выключить устройство, подождать несколько секунд и снова включить!
Реальный отклик
На Рисунке 6 показан реальный отклик, измеренный с помощью испытательного стенда. Это композиция из двух сканирований, по одному для каждого диапазона. (Поскольку настройка выполнялась вручную, шкала частот является логарифмической лишь приблизительно). Сопротивление резистора R9 было выбрано равным 50 кОм, поэтому выходной каскад имел коэффициент усиления около 6.
 |
|
| Рисунок 6. | Реакция схемы на Рисунке 1, измеренная с помощью испытательного стенда, показанного на Рисунке 3. |
Верхняя осциллограмма – это сигнал, подаваемый на динамик, показывающий, что нарастающее выходное напряжение схемы соответствует повышению давления внутри камеры стенда. (Из этого можно сделать вывод, что отрицательно заряженная сторона электретной пленки обращена к затвору JFET. Это имеет смысл, поскольку серьезное акустическое воздействие, например, хлопок в ладоши прямо перед микрофоном, создаст на затворе отрицательный заряд, а избыточный отрицательный заряд легче стекает через внутренний диод затвор-исток JFET, чем положительный заряд, что ускоряет восстановление после любой такой перегрузки).
Обратите внимание, как колеблется базовая линия. Это в основном связано с шумом 1/f или фликкер-шумом в JFET микрофонного капсюля; как JFET без обвязки, так и смоделированный микрофон демонстрируют схожий эффект, в то время как резистор намного тише. Мы можем еще больше расширить низкочастотный отклик, но только за счет ухудшения отношения сигнал/шум. И, в любом случае, на частотах ниже герца или двух, по-видимому, будет преобладать влияние ветра и погоды.
Просмотр результатов
Есть еще несколько желательных усовершенствований и дополнений, но они подождут Части 2. В завершение этой части мы расскажем о том, как увидеть то, что скрывается ниже точки отсечки нашего слуха. (А в Части 2 также будет показано, как это услышать).
Осциллограф (обычно громоздкий, немобильный и потребляющий много энергии) – слишком очевидное решение, чтобы его упоминать. Дешевый стрелочный прибор 50-0-50 мкА, подключенный между выходом и общим проводом через подходящий резистор, работал, но его отклик падал на 50% уже на частоте порядка 2 Гц.
Пара светодиодов, возможно, красного и зеленого цвета для нарастающих и спадающих сигналов, выглядела неплохо, хотя ограниченный размах, доступный c шиной 5 В, означал, что схема управления должна быть несколько сложнее, как показано на Рисунке 7. Внимание! Напряжение на нее должно поступать непосредственно от входа питания, чтобы избежать влияния токов светодиодов на питание микрофона, что может привести (и приводило) к искажениям и даже (очень) низкочастотным колебаниям. В любом случае необходим хороший, стабильный источник питания.
 |
|
| Рисунок 7. | Один светодиод загорается при росте сигнала, другой – при спаде, причем интенсивность свечения пропорциональна уровню сигнала. |
Во второй части мы немного расширим спектр принимаемых сигналов, но в основном сосредоточимся на том, чтобы сделать исходную схему более пригодной для использования. Звуковой выход будет означать, что нам больше не придется беспокоиться о проблеме, похожей на дзен: «Если мы не можем это услышать, стоит ли называть это звуком?».
1) Mark I - Mark IV – компьютеры первого поколения, создание которых началось в Гарвардском университете в 1944 году. (Ред.)
Ссылки
- Brian Dipert. Disposable vapes: Unnecessary, excessive waste in cylindrical shapes
- Electret Microphones
- Nick Cornford. Сглаженные треугольные импульсы: синусоиды, но с зубцами?
Купить MCP6002 на РадиоЛоцман.Цены
