Tutto quello che c’è da sapere sui microfoni a condensatore a elettrete

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Di Nick Grillone, Same Sky

Nel campo della tecnologia audio, i microfoni a condensatore a elettrete (ECM) sono un componente di provata efficacia per l’acquisizione del suono e la versatilità in varie applicazioni. Sebbene le loro controparti microfoniche MEMS abbiano attirato gran parte dei riflettori negli ultimi tempi, gli ECM trovano ancora impiego in svariati progetti grazie alla loro flessibilità di montaggio, alle opzioni di direzionalità e ad altre caratteristiche. In questo blog post scopriremo come funzionano gli ECM e quali sono le loro capacità direzionali e specifiche principali. Dai microfoni omnidirezionali che catturano il suono ambientale alle varianti unidirezionali incentrate su sorgenti specifiche, analizzeremo le migliori pratiche per la selezione e il montaggio degli ECM allo scopo di garantire prestazioni ottimali in varie configurazioni.

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Cosa sono i microfoni a condensatore a elettrete?

I microfoni a condensatore a elettrete (ECM), chiamati anche microfoni a condensatore, utilizzano un elettrete, un materiale ferroelettrico permanentemente polarizzato o caricato elettricamente. Grazie all’elevata resistenza e alla stabilità chimica del materiale, la carica elettrica persiste per centinaia di anni. Il nome deriva da “elettrostatico” e “magnete”: una carica statica viene incorporata in un elettrete mediante l’allineamento delle cariche statiche nel materiale, esattamente come nel caso del magnete, che viene realizzato allineando i domini magnetici in un pezzo di ferro. Questa caratteristica specifica costituisce un vantaggio per i progettisti, in quanto un microfono a condensatore a elettrete elimina la necessità di una tensione di polarizzazione per far funzionare il microfono.

Come funzionano i microfoni a condensatore a elettrete?

Il principio di funzionamento di un microfono a condensatore a elettrete risiede nel fatto che il diaframma agisce come la piastra di un condensatore. Le vibrazioni producono variazioni nella distanza tra il diaframma e la piastra posteriore. La tensione mantenuta attraverso il diaframma e la piastra posteriore cambia con le vibrazioni dell’aria, secondo l’equazione della capacità:

C = Q / V

Dove:

• Q = carica in coulomb
• C = capacità in farad
• V = differenza di potenziale in volt

Questa variazione di tensione viene amplificata dal FET e il segnale audio compare in uscita dopo un condensatore di blocco CC.

Principio di funzionamento di un ECM

Al di fuori del suo funzionamento di base, la struttura tipica di un microfono a condensatore a elettrete è composta da un tessuto non tessuto, una custodia, un anello polare, un diaframma, un distanziatore, una piastra posteriore, una base, un anello di rame e un circuito stampato (PCB). Il materiale dell’elettrete è applicato al diaframma e mostrato come anello polare. Qui è riportata un’illustrazione che evidenzia la struttura e suddivide i singoli componenti di un tipico ECM.

Struttura del microfono a condensatore a elettrete smontato

L’illustrazione qui riportata evidenzia la struttura di un tipico microfono a condensatore a elettrete dopo l’assemblaggio di tutti i componenti.

Struttura del microfono a condensatore a elettrete assemblato

Direzionalità del microfono o diagrammi polari

I microfoni a condensatore a elettrete sono disponibili in diverse direzionalità o diagrammi polari, che definiscono il modo in cui un microfono riceve i suoni da diverse direzioni. La direzionalità del microfono è una specifica fondamentale da comprendere e sarà determinata dall’applicazione del caso e dai requisiti di utilizzo. I tipi di direzionalità ECM più comuni, descritti di seguito nel dettaglio, sono: omnidirezionale, unidirezionale e con cancellazione del rumore.

Microfoni omnidirezionali

I microfoni omnidirezionali sono progettati per ricevere vibrazioni da qualsiasi direzione. Il diagramma di ciascuna delle sezioni seguenti mostra il modo in cui il microfono capta il suono. Il microfono è rivolto verso l’alto (verso l’osservatore) e l’intensità sonora per una particolare frequenza è tracciata per angoli radiali da 0° a 360°, con 0° che rappresenta la parte anteriore del microfono. Poiché possono captare il suono da qualsiasi direzione, questi microfoni vengono spesso utilizzati per registrare un gruppo di cantanti o per riunioni, come ad esempio le teleconferenze. Tuttavia, i microfoni omnidirezionali presentano alcuni svantaggi. Dal momento che il microfono non è in grado di distinguere i suoni desiderati da quelli indesiderati, il rumore ambientale può essere captato e amplificato.

Diagramma polare omnidirezionale e risposta in frequenza

Microfoni unidirezionali

I microfoni unidirezionali sono sensibili ai suoni provenienti principalmente da una sola direzione ed eliminano i rumori di fondo indesiderati, come il brusio oppure i suoni della tastiera o della carta. I microfoni con questo tipo di diagramma sono comunemente utilizzati come microfoni per la voce o il parlato, poiché sono in grado di respingere i suoni provenienti da direzioni diverse da quella richiesta. Il diagramma seguente illustra il modello unidirezionale più comune, che presentaun’ampia ripresa e la reiezione massima a 180° fuori asse.

Diagramma polare unidirezionale e risposta in frequenza

Cancellazione del rumore risposta in frequenza

Un microfono con cancellazione del rumore, noto anche come microfono bidirezionale, è progettato per filtrare il rumore ambientale da un suono o da una direzione desiderata. Questa tipologia si rivela particolarmente utile in ambienti rumorosi. Tutti i microfoni con cancellazione del rumore presentano almeno due porte di ingresso del suono. La porta anteriore è normalmente orientata verso il suono desiderato, mentre l’altra è orientata verso un suono più distante. Un suono molto più vicino alla porta anteriore che a quella posteriore creerà un gradiente di pressione maggiore tra la parte anteriore e quella posteriore del diaframma, facendolo muovere di più. L’effetto di prossimità del microfono è regolato in modo da ottenere una risposta in frequenza piatta per le sorgenti sonore molto vicine alla parte anteriore del microfono. I suoni provenienti da altre angolazioni sono soggetti a una attenuazione significativa dei medi e dei bassi. I microfoni bidirezionali con cancellazione del rumore si trovano nei call center, negli elicotteri e nelle cuffie dei piloti di auto da corsa.

Diagramma polare e risposta in frequenza con cancellazione del rumore (bidirezionale)

Specifiche dei principali microfoni a condensatore a elettrete

• Direzionalità: la direzionalità o il diagramma polare di un microfono ne indica la sensibilità ai suoni che arrivano a diverse angolazioni rispetto al suo asse centrale.
• Riduzione della sensibilità: la quantità di guadagno che un microfono perde se la tensione che lo alimenta viene diminuita.
• Sensibilità: la sensibilità di un microfono misura la sua capacità di captare il suono. Un microfono più sensibile è in grado di rilevare più facilmente i suoni più deboli o quelli provenienti da lontano, producendo un segnale più forte. I microfoni meno sensibili necessitano di una maggiore amplificazione per catturare lo stesso livello sonoro, il che può comportare l’aumento di rumore. Questa caratteristica aiuta a determinare il microfono migliore per diversi usi, come la registrazione di musica o l’acquisizione audio in ambienti rumorosi.
• Rapporto segnale/rumore (SNR): rapporto che misura il livello di un segnale desiderato (come il parlato, la musica, ecc.) registrato da un microfono rispetto al livello di rumore captato dallo sfondo.

Considerazioni sul montaggio dei microfoni a condensatore a elettrete

Gli ECM sono disponibili in varie configurazioni di montaggio a seconda dei requisiti dell’applicazione, tra cui pin per PCB, cavi con o senza connettore e tipi di terminali. I tipi di terminali possono essere ulteriormente classificati come a montaggio superficiale per la compatibilità con la saldatura a riflusso o con piazzole per la saldatura manuale.

Configurazioni comuni di montaggio dell’ECM

Quando si monta un microfono a condensatore a elettrete, il microfono deve essere isolato meccanicamente dall’alloggiamento del prodotto al fine di evitare che suoni e vibrazioni vengano trasferiti dal suddetto alloggiamento al microfono e di garantire che il microfono riceva i suoni solo dai fori anteriori dell’alloggiamento. Lo spessore dell’alloggiamento davanti al microfono deve essere inferiore a 1 mm, mentre i fori, anch’essi posti di fronte al microfono, devono avere un diametro superiore a 1,3 mm per foro singolo o superiore a 0,8 mm per fori multipli. I fori allungati devono presentare una larghezza superiore a 0,8 mm.

Linee guida per il montaggio dell’ECM in un alloggiamento

Per le applicazioni a basse vibrazioni, il microfono può essere montato per attrito o incollato in un manicotto, mentre per le applicazioni ad alte vibrazioni il manicotto di montaggio deve essere esteso, in maniera che la colla possa essere applicata anche sul retro del microfono e del manicotto.

I microfoni possono essere montati per attrito o incollati, a seconda dei requisiti delle applicazioni a basse o alte vibrazioni.

Conclusioni

I microfoni a condensatore a elettrete rimangono ancora oggi strumenti indispensabili della moderna tecnologia audio. La loro capacità di captare il suono con precisione e chiarezza, unita alle versatili capacità direzionali, li rende essenziali in un’ampia gamma di applicazioni. Comprendendo il funzionamento degli ECM e le loro specifiche principali, gli utenti possono prendere decisioni consapevoli quando si trovano a dover scegliere lo strumento giusto per le loro esigenze. La gamma completa di microfoni di Same Sky e i servizi di progettazione audio sono a tua disposizione!

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