Guida completa ai microfoni a condensatore a elettrete

Quando si parla di tecnologia audio, i microfoni a condensatore a elettrete (ECM) rappresentano una soluzione classica ma robusta per l'acquisizione del suono e offrono affidabilità e adattabilità in svariate applicazioni. Sebbene i microfoni MEMS abbiano conquistato molta importanza grazie al loro design di facile integrazione e agli ingombri compatti, gli ECM mantengono la loro rilevanza nei progetti elettronici, grazie alle loro diverse configurazioni di montaggio, ai modelli direzionali ad ampio raggio e alla versatilità acustica.

Questo articolo esamina i principi operativi degli ECM, i circuiti interni che li compongono e la loro risposta direzionale, dai modelli omnidirezionali per l'acquisizione del suono ambientale alle configurazioni unidirezionali per l'isolamento acustico mirato. Spiega inoltre i parametri prestazionali critici, quali sensibilità, rapporto segnale/rumore (SNR) e risposta in frequenza per la corretta selezione dei componenti.

Microfoni a condensatore a elettrete - Principi base

I microfoni a condensatore a elettrete (ECM), noti anche come microfoni a condensatore, funzionano mediante un elettrete, un materiale ferroelettrico elettricamente caricato o polarizzato in permanenza. L'elevata resistenza elettrica e la stabilità chimica dell'elettrete garantiscono che la carica embedded rimanga intatta per centinaia di anni senza subire un significativo decadimento. Il termine "elettrete" deriva dalla combinazione di "elettrostatico" e "magnete", a indicare il processo mediante il quale una carica statica viene integrata nel materiale. Si ottiene tutto ciò allineando le cariche statiche nell'elettrete, in modo analogo a come si allineano i domini magnetici per creare una calamita.

Questa proprietà intrinseca offre un vantaggio significativo nella progettazione del microfono. A differenza dei tradizionali microfoni a condensatore, che richiedono una tensione polarizzante esterna per funzionare, la carica statica incorporata nell'elettrete elimina questa necessità. Questa semplificazione riduce la complessità di progettazione dei circuiti e consente agli ECM di funzionare in modo efficiente in applicazioni compatte e a bassa potenza, rendendoli una scelta interessante per una varietà di sistemi audio.

Il principio di funzionamento di un microfono a condensatore a elettrete si basa sul fatto che il diaframma fa la funzione di una piastra del condensatore, mentre la piastra posteriore funge dall'altra. Quando le onde sonore fanno vibrare il diaframma, la distanza tra il diaframma e la piastra posteriore cambia, determinando variazioni nella capacità. Questi cambiamenti sono determinati dall'equazione della capacità:

C = Q / V

Dove:

• Q = carica in coulomb (rimane costante a causa della carica embedded nell'elettrete)
• C = capacità in farad
• V = differenza di potenziale in volt

Quando la capacità (C) cambia a causa del movimento del diaframma, si verifica una variazione inversamente proporzionale nella tensione (V) attraverso il condensatore, generando un segnale elettrico che corrisponde alle vibrazioni sonore.

Questa tensione variabile viene poi inviata a un transistor a effetto di campo (FET) all'interno del microfono, che amplifica il segnale per una migliore trasmissione. Un condensatore di blocco c.c. nello stadio di uscita rimuove qualsiasi offset c.c. indesiderato, garantendo che il segnale audio in uscita sia pulito. Questa concezione semplice ma efficace rende gli ECM una scelta affidabile per l'acquisizione sonora in varie applicazioni elettroniche.

Figura 1: Principio di funzionamento di un ECM. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

La struttura tipica di un microfono a condensatore a elettrete comprende diversi componenti chiave:

• Tessuto non tessuto: protegge dalla polvere per il passaggio del suono senza ostruzioni
• Custodia: incapsula e protegge i componenti interni
• Anello polare: mette in evidenza il materiale elettrete applicato al diaframma
• Diaframma: vibra in risposta al suono, alterando la capacità
• Distanziale: mantiene la distanza tra diaframma e piastra posteriore
• Piastra posteriore: forma l'elettrodo stazionario del condensatore
• Base: fornisce il supporto strutturale
• Anello in rame: garantisce la conducibilità e i collegamenti elettrici
• PCB: alloggia il FET e altri circuiti per l'amplificazione del segnale

La struttura smontata e assemblata di un ECM è illustrata nelle figure seguenti.

Figura 2: Vista esplora di un ECM. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Figura 3: Vista assemblata di un ECM. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Modelli direzionali o polari di un ECM

I microfoni a condensatore a elettrete sono disponibili in vari modelli direzionali o polari, che definiscono il modo in cui acquisiscono il suono da diverse direzioni. La direzionalità è una specifica critica e dovrebbe essere scelta in base all'applicazione e ai requisiti di utilizzo. I modelli di ECM direzionali più comuni sono: omnidirezionale (Figura 4), unidirezionale (Figura 5) e con cancellazione del rumore (Figura 6).

Figura 4: Modello polare omnidirezionale. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

I microfoni omnidirezionali acquisiscono il suono da tutte le direzioni, il che li rende ideali per applicazioni quali la registrazione di voci in corso o la conduzione di teleconferenze. Il modello di acquisizione del suono è solitamente illustrato in un diagramma, in cui 0° rappresenta la parte anteriore del microfono e l'intensità del suono è tracciata radialmente da 0° a 360°. Pur essendo versatili, questi microfoni hanno uno svantaggio: non riescono a distinguere tra suoni desiderati e rumore ambientale, spesso captando e amplificando i suoni ambientali.

Figura 5: Modello polare unidirezionale. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

I microfoni unidirezionali sono progettati per acquisire il suono principalmente da una direzione, riducendo il rumore di fondo indesiderato, ad esempio causato da conversazioni, clic sulla tastiera o dal fruscio della carta. Questo li rende ideali per applicazioni vocali o di parlato, in cui è fondamentale isolare la sorgente sonora desiderata. Il modello unidirezionale più comune, illustrato nella Figura 5, presenta un'ampia area di rilevamento con la massima reiezione a 180° fuori asse.

Figura 6: Modello polare di cancellazione del rumore. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Un microfono a cancellazione del rumore, o microfono bidirezionale, è progettato per filtrare il rumore ambientale concentrandosi sulla sorgente sonora desiderata, il che lo rende ideale per gli ambienti rumorosi. Questi microfoni sono dotati di almeno due porte audio: una orientata verso il suono desiderato e un'altra verso i rumori più distanti. I suoni ravvicinati creano un gradiente di pressione maggiore attraverso il diaframma, da cui consegue una migliore acquisizione del suono desiderato. L'effetto di prossimità è regolato per garantire una risposta in frequenza piatta per i suoni vicini alla porta anteriore, mentre i suoni provenienti da altre angolazioni subiscono un significativo roll-off nei toni medi e bassi. Le applicazioni più comuni includono call center, cuffie microfonate per elicotteri e sistemi di comunicazione per piloti di auto da corsa.

Specifiche ECM chiave

Oltre alla direzionalità dell'ECM, alcuni parametri aggiuntivi da tenere a mente durante la selezione dei componenti sono:

• Riduzione della sensibilità: la perdita di guadagno che si verifica quando la tensione di alimentazione del microfono diminuisce
• Sensibilità: misura la capacità del microfono di rilevare il suono. L'elevata sensibilità acquisisce i suoni più deboli o distanti con una minore amplificazione, riducendo il rumore. Questa proprietà aiuta a determinare l'idoneità per applicazioni quali la registrazione musicale o l'uso in ambienti rumorosi
• Rapporto segnale/rumore (SNR): rappresenta il rapporto tra il suono desiderato (es., parlato o musica) e il rumore di fondo acquisito dal microfono, indicando la chiarezza audio complessiva
• Stili di montaggio: le configurazioni più comuni per il montaggio di un ECM sono pin su PCB, conduttori con o senza connettore e i tipi di terminale. Le configurazioni dei terminali possono essere ulteriormente definite come montaggio superficiale per saldatura a rifusione o piazzole di saldatura per la saldatura manuale.

Conclusione

I microfoni a condensatore a elettrete rimangono indispensabili nella moderna tecnologia audio, poiché offrono un'acquisizione precisa del suono e capacità direzionali versatili. La loro affidabilità e adattabilità li rendono essenziali in diverse applicazioni, mentre la comprensione del loro funzionamento e delle specifiche principali aiuta gli utenti a selezionare il microfono più adatto alle loro esigenze. Esplora la gamma completa di microfoni e servizi di progettazione audio di Same Sky per creare le tue soluzioni su misura.