MICROFONO

MICROFONO (XXIII, p. 213)

Affinché la tensione elettrica dovuta al microfono sia una fedele riproduzione dell'onda sonora complessa che lo ha colpito è necessario che il microfono sia in grado di riprodurre fedelmente tutte le frequenze singole componenti l'onda complessa; cioè che l'ampiezza di ogni oscillazione elettrica sia proporzionale a quella dell'oscillazione sonora sinusoidale di frequenza corrispondente, e che non vengano introdotte nell'onda complessa delle frequenze spurie dovute sia a rumori di fondo del microfono, sia a fenomeni di distorsione non lineare.

Il comportamento del microfono a questo riguardo viene rappresentato per mezzo di una curva di fedeltà o di risposta che, in funzione della frequenza dell'oscillazione sonora sinusoidale, rappresenta la tensione generata dal microfono per un'intensità costante dell'oscillazione stessa. La tensione generata dal microfono varia col carico a questo applicato. Si assume quindi come più rappresentativa la forza elettromotrice generata dal microfono stesso, cioè la tensione su carico infinito.

Per avere dei dati sull'efficienza energetica del microfono, questo elemento si accresce con l'indicazione della impedenza interna del microfono. Come pressione sonora di riferimento si assume generalmente quella di una baria o di una dina/cmq.

La f. e. m. del microfono è molto bassa e si indica con il suo livello in decibel (db) rispetto ad una tensione base di riferimento. Si dice livello L in db di una tensione V rispetto ad una tensione base V₀, il numero

La curva di fedeltà di un microfono deve essere quanto più è possibile lineare nella banda di frequenza trasmessa. Questa dipende dallo scopo cui il microfono è destinato. Per la trasmissione della musica e della voce a scopo artistico sarebbe opportuno trasmettere tutte le frequenze audibili e quindi da 30 a 15.000 Hz, ma per ragioni di convenienza tecnica ci si limita alla banda da 30 a 8000 Hz. Nelle trasmissioni telefoniche si può ridurre la banda a limiti più stretti (da 300 a 3400 Hz) dato che interessa prevalentemente l'intellegibilità della conversazione e non la naturalezza.

Altra caratteristica importante del microfono è l'assenza di distorsione non lineare, cioè l'assenza di deformazioni nella tensione elettrica prodotta da un'onda sonora sinusoidale pura. Tale distorsione si manifesta generalmente con la produzione di armoniche multiple della frequenza fondamentale; e si chiama grado o percentuale di distorsione ε il rapporto

essendo A₁, A₂, ecc. le ampiezze delle armoniche ed A₀ l'ampiezza della fondamentale. Il grado di distorsione deve essere mantenuto molto basso, entro valori dell'1 ÷ 2% in microfoni di buona fedeltà per trasmissioni radiofoniche, mentre può giungere senza inconvenienti al 10 o al 15% per microfoni telefonici destinati soltanto alla trasmissione di informazioni.

Infine importante è il rumore di fondo proprio del microfono, che stabilisce la gamma di intensità sonora che il microfono può trasmettere; nelle trasmissioni radiofoniche il rapporto fra la massima intensità che il microfono può ricevere senza distorsioni e il rumore di fondo deve essere almeno 1000, mentre nei microfoni telefonici scende a 100 o meno.

Date le dimensioni finite del microfono, la pressione sonora agente non è sempre uguale alla pressione sonora esistente nello spazio libero in assenza del microfono. Questo introduce una deformazione del campo di cui è necessario tenere conto. Si distingue quindi fra la risposta propria del microfono intesa come f. e. m. generata per una data pressione sonora agente effettivamente sulla membrana, e la risposta in campo libero intesa come f. e. m. prodotta per una data pressione sonora in assenza di microfono. Quest'ultima è la meno facile da misurare ma la più rappresentativa. Inoltre è necessario indicare la direzione da cui giunge l'onda sonora. La risposta del microfono viene generalmente data per onde sonore piane propagantisi normalmente alla membrana del microfono, che sono le più importanti. Però il microfono non ha necessariamente la stessa risposta ad onde sonore giungenti da tutte le direzioni: è necessario quindi conoscere anche la curva di direttività, che è una curva tracciata in un piano a coordinate polari in cui l'ampiezza del raggio polare è proporzionale alla f. e. m. prodotta per pressione sonora costante, proveniente dalla direzione del raggio stesso (v. fig. 2).

In un microfono la trasformazione di energia sonora in elettrica avviene attraverso un elemento sensibile che riceve il suono e che, vibrando sotto la forza meccanica dovuta a questo, induce una f. e. m. direttamente in sé stesso oppure produce la vibrazione di un secondo elemento nel quale viene prodotta la f. e. m.

La forza meccanica dovuta alla pressione sonora è data dal prodotto della pressione sonora per la superficie dell'elemento sensibile ed è quindi direttamente proporzionale alla pressione. La velocità di vibrazione dell'elemento sensibile dipende dalle proprietà meccaniche dell'elemento stesso. A seconda che nella banda di frequenza considerata predominino la massa o la rigidità o la resistenza meccanica dell'elemento stesso, si dice che il microfono è controllato dalla massa, dalla rigidità, dalla resistenza. Nel primo caso la velocità di vibrazione dell'elemento sensibile è inversamente proporzionale, e nel secondo caso direttamente proporzionale alla frequenza, nel terzo caso indipendente da questa. A sua volta, il rapporto fra f. e. m. e velocità di vibrazione dipende dall'effetto elettrico sfruttato (elettrodinamico, elettrostatico, ecc.).

La risposta di un microfono in campo libero è pertanto sempre la risultante di tre risposte, una che esprime il rapporto fra la forza meccanica agente sul microfono e la pressione sonora, la seconda che esprime il rapporto fra la velocità o lo spostamento dell'elemento sensibile e la forza meccanica agente su questo, e la terza che esprime il rapporto fra la f. e. m. e la velocità o lo spostamento dell'elemento sensibile.

Esistono moltissimi tipi di microfono che vengono differenziati fra di loro secondo l'effetto elettromeccanico che li caratterizza; i più usati sono, oltre i microfoni a carbone e a condensatore (per i quali v. suono, XXXII, p. 995 e p. 1002), il microfono a bobina mobile, il microfono a nastro a pressione, il microfono a cristallo o piezoelettrico e il microfono a nastro a velocità.

Il microfono a bobina mobile è formato da una membrana cui è attaccata rigidamente una bobina di poche spire di filo che è immersa nel campo magnetico di un magnete permanente. La vibrazione della membrana sotto l'azione del suono genera nel filo una f. e. m. proporzionale alla velocità di vibrazione.

Il microfono a nastro a pressione sfrutta lo stesso effetto elettromeccanico del microfono a bobina mobile, cioè il movimento di un filo in un campo magnetico. Però l'elemento sensibile al suono è un sottile nastrino di alluminio pieghettato sospeso in un campo magnetico e che agisce allo stesso tempo da membrana vibrante e da filo conduttore. Una delle superfici del nastro esposta all'aria riceve il suono: sulla parte posteriore è affacciato un tubo di sezione uguale piuttosto lungo e riempito di materiale assorbente in modo da costituire una resistenza acustica costante in tutta la banda di frequenza trasmessa e allo stesso tempo da impedire che il suono colpisca la parete posteriore del nastro.

Il microfono piezoelettrico, detto comunemente a cristallo, impiega come elemento sensibile una lamina tagliata da un cristallo avente proprietà piezoelettriche. La lamina è tagliata secondo l'opportuna giacitura rispetto agli assi cristallografici del cristallo e sviluppa una tensione elettrica fra le due facce opposte quando viene deformata. I cristalli che vengono impiegati nei microfoni sono generalmente dei cristalli di sale di Rochelle (tartrato sodico potassico).

I microfoni sinora descritti sono tutti del tipo a pressione. Il microfono a nastro può venire però costruito in modo da renderlo sensibile non alla pressione acustica, ma alla velocità di spostamento dell'onda sonora, cioè al gradiente di pressione, microfono a nastro a velocità). Ciò si ottiene esponendo ambedue le facce del nastrino all'azione sonora: la forza agente sul nastrino stesso è data allora dalla differenza delle pressioni sonore agenti sulle due facce. Date le piccole dimensioni del nastrino rispetto alla lunghezza d'onda, tale forza è proporzionale alla componente della velocità dell'onda sonora normale al piano del nastrino.

Il microfono a gradiente di pressione è quindi un microfono direzionale, e la sua caratteristica di direzionalità è rappresentata da due cerchi. La sua sensibilità è massima per suoni che provengono dalla direzione anteriore e posteriore della normale al piano del nastrino, e nulla, per suoni che provengono da direzioni giacenti sul piano del nastrino.

Tutti i microfoni indicati eccetto quello a carbone producono tensioni così piccole che è necessario disporre nelle loro vicinanze un amplificatore prima di convogliare la tensione lungo una linea. In particolare nei microfoni elettrostatici e piezoelettrici l'elevata impedenza interna (di alcune centinaia di migliaia di ohm) rende necessario disporre il microfono a pochi centimetri dall'amplificatore, mentre i microfoni a nastro ed elettrodinamici hanno una impedenza molto bassa e quindi è possibile accoppiarli con un trasformatore ad una linea di qualche decina di metri che porti all'amplificatore. L'uso di tali microfoni viene quindi riservato alle trasmissioni ad elevata fedeltà, mentre per trasmissioni telefoniche normali s'impiega il microfono a carbone.