Вокально-речевой студийный конденсаторный микрофон или сверхглубокая модернизация китайского BM-700 / BM-800

Всех приветствую!

Подобрать правильный микрофон – значит, обеспечить треть успеха качественной записи вокала (или речи). Неподходящий или некачественный микрофон испортит звучание вокалиста (или диктора). Поэтому к выбору звукозаписывающего устройства нужно подходить со всей ответственностью. Что же делать, если выбор сделан неверно? Можно ли это исправить?

В данной статье расскажу, как я модернизировал популярный китайский микрофон BM-700, а так же сравню результаты проделанной работы с применением электретного и конденсаторного капсюлей.

Интересно?

Скажу сразу, что современный микрофон – это достаточно сложная система из акустико-механических (таких как: различные зазоры, отверстия, объемы и пористые материалы), электромеханических (преобразующих звуковые колебания в ЭДС) и электронных (согласующих сторону преобразователя с последующим усилительным устройством) звеньев.

Для понимания классификации микрофонов рассмотрим вкратце их устройство и принцип действия.
В зависимости от принципа преобразования механических (звуковых) колебаний в электрические микрофоны делятся на несколько типов. В студийной практике, как правило, используются электродинамические (катушечные и ленточные) и конденсаторные микрофоны (в том числе электретные). В электродинамических микрофонах выходное электрическое напряжение пропорционально скорости колебаний подвижной системы, а в конденсаторных (и вообще всех остальных) – пропорционально колебательному смещению.

Принцип действия электродинамического катушечного микрофона состоит в следующем (см. рисунок выше).
В кольцевом зазоре 4 магнитной системы, имеющей постоянный магнит 5, находится подвижная катушка 1, скреплённая с диафрагмой 2 на опорном фланце 3. При воздействии на диафрагму звукового давления она вместе с подвижной катушкой начинает колебаться. В силу этого в витках катушки, перерезающих магнитные силовые линии, возникает напряжение, являющееся выходным сигналом микрофона.

Электродинамический микрофон стабилен, имеет довольно широкий частотный диапазон и сравнительно небольшую неравномерность частотной характеристики.

Устройство ленточного электродинамического микрофона несколько отличается от устройства катушечной модификации (см. рисунок выше).
Здесь магнитная система микрофона состоит из постоянного магнита 4 и полюсных наконечников 2 со сквозными отверстиями 3, между которыми натянута легкая, обычно алюминиевая, тонкая (порядка 2мкм) гофрированная лента 1. При воздействии звукового давления на обе её стороны возникает сила, под действием которой лента начинает колебаться, пересекая при этом магнитные силовые линии, вследствие чего на её концах развивается напряжение. Так как сопротивление ленты очень мало, то для уменьшения падения напряжения на соединительных проводниках, развиваемое на концах ленты напряжение подается на первичную обмотку повышающего трансформатора, размещаемого в непосредственной близости от ленты. Напряжение вторичной обмотки трансформатора является выходным сигналом микрофона.

Частотный диапазон данного микрофона так же довольно широк, а неравномерность частотной характеристики невелика.

Для высококачественных электроакустических трактов наибольшее распространение получил конденсаторный микрофон (см. рисунок выше).
Принципиально он работает следующим образом: жёстко натянутая мембрана 1 с эффективным диаметром D под воздействием звукового давления может колебаться относительно неподвижного электрода 4, являясь вместе с ним обкладками электрического конденсатора с зазором d, образованным изоляционным кольцом 2. Односторонняя направленность конденсаторного микрофона достигается тем, что капсюль имеет второй акустических вход через специальные отверстия во вкладыше 5 и отверстия в неподвижном электроде 3. Данный конденсатор включается в электрическую цепь последовательно с источником постоянного тока Gb1 и активным нагрузочным сопротивлением Rн. При колебаниях мембраны ёмкость конденсатора меняется с частотой воздействующего на мембрану звукового давления, в связи с чем в электрической цепи появляется переменный ток той же частоты и на нагрузочном сопротивлении возникает падение напряжения, являющееся выходным сигналом микрофона.

Следует отметить, что нагрузочное сопротивление должно быть весьма большим (порядка 1ГОм), что бы падение напряжения на нем не значительно уменьшалось на низких частотах, где ёмкостное сопротивление конденсатора (мембрана – неподвижный электрод) очень велико и использование такого микрофона было бы невозможно из-за сравнительно небольшого сопротивления нагрузки. По этой причине у конденсаторных микрофонов предусмотрены конструктивно связанные с самим микрофоном усилители, имеющие малый коэффициент усиления (порядка единицы), высокое входное и низкое выходное сопротивления.
Конденсаторные микрофоны имеют самые высокие качественные показатели: широкий частотный диапазон, малую неравномерность частотной характеристики, низкие переходные искажения (т.е. способность верно воспроизводить звуки с крутым фронтом), высокую чувствительность и низкий уровень шумов.

Электретные микрофоны, по существу, те же конденсаторные, но постоянное напряжение для них обеспечивается не обычным источником, а электрическим зарядом мембраны или неподвижного электрода, материалы которых отличаются тем, что способны сохранять этот заряд длительное время. Однако поляризация электрета постепенно уменьшается, и через несколько лет требуется его замена. В этом скрывается основной недостаток микрофонов данного типа.
Одним из существенных преимуществ электретных микрофонов перед конденсаторными является то, что при одинаковых значениях поляризующего напряжения (в случае электретного – эквивалентного) в электретных системах можно использовать меньшее значение зазора d и, стало быть, реализовать большую чувствительность, не опасаясь «прилипания» мембраны к неподвижному электроду. Объясняется это тем, что заряд электрета находится в связанной форме, вследствие чего не может «стекаться» к центру мембраны, когда она под действием поляризующего напряжения прогибается в сторону неподвижного электрода и её центр оказывается наиболее близкой к электроду точкой.

Итак, подтянув (или освежив) теоретические знания, предлагаю перейти к практической части.
Сегодня, как уже многим стало понятно из названия статьи, речь пойдет именно о конденсаторных микрофонах.

В моем распоряжении оказался один из самых дешевых (и поэтому популярных?) китайских микрофонов – BM-700 со следующими официальными характеристиками (конечно же, далекими от истины).

АЧХ приводить не буду, т.к. картинка (именно картинка, а не график) не имеет ничего общего с действительностью – свет на этот вопрос прольем немного позже.

Разобрав корпус микрофона (делается это, к слову, очень просто – необходимо открутить нижнюю круглую гайку и два винта от защитной решетки), видим следующую картину: 16мм электретный капсюль и плату с одной из самых простейших схем на транзисторе 2SK596S-B (используется, конечно, не оригинал, вследствие его снятия с производства, а китайская копия K596-B).

Одним из самых главных недостатков данного микрофона является очень высокий уровень собственного шума. Так же к недостаткам можно отнести его недостаточную для комфортной работы чувствительность. Исправление этих параметров и будет основными задачами при модернизации.

Повысить чувствительность микрофона можно за счёт увеличения поляризующего напряжения и увеличения площади мембраны.
Первый вариант не подходит потому, что повышению поляризующего напряжения препятствует малое расстояние между электродами, а так же недостаточная электрическая прочность воздуха и тонкого слоя диэлектрика мембраны. Поэтому было принято решение пойти вторым путем – заменить капсюль на другой, с широкой диафрагмой. Выбор пал на 25мм капсюль. Сравнительная таблица с характеристиками обоих приведена ниже.

В сравнении со штатным 16мм, новый капсюль кажется очень внушительным.

25мм капсюль отлично вписывается в доработанное штатное крепление (необходимо лишь дремелем выбрать ребра для установки старого капсюля, а зазор ~1мм по контуру заполнить пористой лентой).

Вопрос с низкой чувствительностью можно считать закрытым, и пора решать проблему с высоким уровнем собственного шума. Причем этот шум вносит не столько сам капсюль, сколько убогое схемное решение штатного усилителя. Пытаться улучшить ситуацию заменой разделительных конденсаторов и монтажом дополнительных фильтров в цепи питания я считаю нецелесообразным. Поэтому, вдохновившись рассказом Дага Форда (Doug Ford) на YouTube-канале EEVblog, решил полностью переработать усилитель, отправив старый туда, где ему полагается быть изначально – в мусорное ведро.

Основой нового усилителя стала схема «самого тихого студийного конденсаторного микрофона» – RØDE NT1-A. Безусловно, в лоб я её копировать не стал (хотя решение весьма простое и элегантное), а промоделировал в Multisim, оптимизировав компонентную базу. В результате получился линейный (вплоть до 100кГц) усилитель с коэффициентом усиления по напряжению равным единице и коэффициентом нелинейных искажений ≤ 0,04% (при 10 кГц) при амплитуде выходного сигнала 1В, т.е. при максимальной мощности.

Определившись со схемным решением будущего усилителя, переходим к трассировке печатной платы. Основной задачей проектирования платы является минимизация её влияния на работу схемы. Реализовать это требование в двухслойной плате порой сродни искусству. Что бы прийти к окончательному варианту мне понадобилось аж пять опытных образцов! Для обеспечения наилучших результатов пришлось полностью отказаться от применения компонентов для монтажа в отверстия, сделав при этом все цепи минимально короткими без паразитных переходных ёмкостей и индуктивностей.

Печатная плата была заказана в Китае с использованием сервиса JLCPCB. На данный момент, по моему мнению, это лучший по соотношению цена/качество вариант заказа прототипов плат размером до 100*100мм. Единственный минус в том, что они в последних моих заказах не используют вакуумную упаковку – просто запаивают в герметичный пакет с силикагелем. При этом платы приезжают немного потёртыми, что особенно заметно на чёрной маске. На пайку и работоспособность не влияет, но «осадочек остался». :)

Необходимые электронные компоненты были заказаны в той же группе компаний, что и JLCPCB – LCSC, что позволило сэкономить на доставке, т.к. у них есть возможность объединения заказов печатных плат и компонентов (UPD: теперь нет). Доставка почтой занимает порядка 2..2,5 недель.
Однако на 100% закрыть потребность в них не удалось, несмотря на достаточно широкий ассортимент на складе. Транзисторы, как ни странно, оказалось дешевле всего заказать в ЧИП и ДИП, а высокоомные резисторы пришлось брать аж на 1688.com через посредника.

Итак, можно приступать к сборке.
Я использовал паяльную станцию ATTEN 8586. Вариант не идеальный – мощности паяльника порой недостаточно (приходится иногда поднимать температуру выше 300°C).

Флюс KINGBO RMA-218, паяльную пасту MECHANIC XG-Z40, пинцет ESD-15 и припой FELDER ISO-Core ELR.

Несмотря на то, что флюс и паяльная паста являются безотмывочными, для достижения наилучшего результата их всё равно лучше отмыть. Для этих целей у меня есть SOLINS FLUX-OFF.

Готово, смотрим на результат.

Окончательный монтаж – это соединение капсюля, платы усилителя и XLR-разъема проводами. Для этой цели я использовал посеребренный провод в тефлоновой (PTFE) изоляции FF46-2.
Так же после монтажа желательно изолировать чувствительную область усилителя от влаги, например при помощи лака на основе акриловой смолы PLASTIK 71.

Казалось бы, микрофон уже собран, но внутренний перфекционист и желание сделать ещё лучше не позволили остановиться на достигнутом. Было принято решение сделать ещё один вариант, на этот раз уже не электретный, а конденсаторный с внешней поляризацией. Электромеханическим преобразователем в данном случае был выбран 34мм капсюль (UPD: продавец, на фоне популярности данной статьи и спроса на этот капсюль, поднял цену более чем в два раза — к приобретению не рекомендую!).

Общая сравнительная таблица характеристик представлена ниже.

Так как капсюль не имеет защитных элементов мембраны – она полностью открыта, то он поставляется в пластиковой коробочке исключающей механические повреждения.

К слову сказать, это уже не конденсаторный капсюль в чистом виде, а акустически комбинированный. В нём не одна мембрана, а две с разных сторон – одна электрически активная (рабочая) с покрытием из золота, а вторая пассивная (необходима для формирования однонаправленных свойств).

Параметры данного капсюля на странице продавца вызывают некоторые сомнения, поэтому я нашёл аналогичный на Taobao – K14. Измеренная продавцом АЧХ имеет следующий вид. Резкий спад ниже 80Гц, скорее всего, обусловлен АЧХ источника звука при проведении измерений, нежели самим капсюлем.

Крепление для 34мм капсюля необходимо изготовить самостоятельно, т.к. все имеющиеся в продаже, которые я видел, не подходят для имеющегося корпуса микрофона. Заготовку по сконструированной модели вырежем лазером из листа акрила, а отверстия просверлим потом, уже вручную. Крепление должно быть обязательно из изоляционного материала, т.к. на корпус капсюля будет подводиться поляризующее напряжение.

Раму микрофона так же необходимо доработать, просверлив отверстия под виброизолирующие втулки. Сверлится очень легко, т.к. она отлита из алюминиевого сплава. Чтобы получить более точные отверстия я сначала просверлил их сверлом меньшего диаметра, а потом прошёлся разверткой.

Крепёж и виброизоляторы, необходимые для сборки, на фото ниже.

Устанавливаем крепление капсюля на раму. Самоконтрящиеся гайки с нейлоновым кольцом позволяют отрегулировать предварительное сжатие виброизоляторов и исключить разбалтывание системы подвеса в будущем.

Далее перейдём к электронной части – к уже отработанной схеме усилителя необходимо добавить блок формирования поляризующего напряжения. Выполним его на триггерах Шмитта (в качестве генератора) и несимметричном умножителе напряжения, добавив выходной CRC-фильтр.

Разводя печатную плату, в данном случае пришлось перейти на двусторонний монтаж – это позволило разместить фильтрующие конденсаторы цепей питания в непосредственной близости от потребителей. Это позволяет распределить рабочий ток между ними, используя низкоимпедансные пути прохождения тока. Практически это означает, что данные конденсаторы непосредственно обслуживают компоненты, в то время как источник питания занимается их перезарядом.

В заказ эта плата ушла вместе с предыдущей с задержкой в один день, благо сервис JLCPCB позволяет объединять заказы до момента отгрузки.

Переход на двусторонний монтаж SMD-компонентов несколько осложняет сборку. При серийном производстве большие конденсаторы с обратной стороны платы пришлось бы закреплять при помощи клея.

Внешний вид после окончательного монтажа показан на фото ниже.

Остаётся только прикрутить защитную решетку и полностью собрать корпус микрофона. Отличить его от предыдущего можно разве что по изменившемуся весу, т.к. новый капсюль весит порядка 50 грамм.

И теперь уже вроде бы можно отложить в сторону паяльник и приступать к тестированию, но нет – осталась ещё одна немаловажная часть – коммутация. Комплектный микрофонный кабель мало того что ужасного качества, но и является несимметричным (имеет один сигнальный проводник), т.е. абсолютно не подходит для микрофонов требующих фантомное питание. Поэтому отправляем его к штатному капсюлю и плате усилителя – в мусорное ведро.
Основой нового кабеля станет один из лучших, по моему мнению, микрофонных кабелей, которые можно купить за вменяемые деньги – японский Canare L-2T2S. Это 2-проводной (симметричный) кабель диаметром 6мм и сечением 60-жильных проводников 23AWG (0,258кв.мм) с лужёным медным экраном высокой плотности (заполнение более 94%) в ПВХ изоляции со следующими характеристиками.

Признаться честно, разделка этого кабеля – сущий ад. Экран настолько плотный, что на его «распушение» без повреждения уходит очень много времени. Однако конечный результат не может не радовать.

XLR-разъемы были выбраны производства Neutrik Group, а именно китайской компанией Ningbo Neutrik® Trading Co., Ltd. под брендом «Yongsheng» – YS176 (мама) и YS177 (папа).

Очень приятные как при сборке, так и в эксплуатации разъёмы. Металлическая защёлка увеличенного размера овальной формы не люфтит при установке в оборудование, полиуретановая манжета защищает кабель от повреждения при изгибах, а эргономичный корпус не скользит в руке.

После окончательной сборки трёхметровый кабель выглядит следующим образом.

Перейдём непосредственно к тестированию. Именно к тестированию, а не измерениям, т.к. измерить все электроакустические параметры микрофона по ГОСТ Р 53576-2009 в домашних условиях не представляется возможным, к сожалению. Ограничимся снятием приведённой АЧХ и тестовой записью для каждого из трех микрофонов.
Интересующий нас диапазон частот – 80Гц..7кГц. Он выбран из тех соображений, что микрофон я делал вокально-речевой, а полоса частот речевого сигнала для мужских голосов составляет 80Гц..5кГц, а для женских 220Гц..7кГц.
АЧХ будем измерять именно приведённую, т.е. без использования измерительно микрофона (т.к. у меня его попросту нет) – по существу, обмерим источник звука испытуемым микрофоном, условившись, что в измеряемом диапазоне источник звука линеен. На самом деле это, конечно же, не так, но для общего представления вполне достаточно, т.к. основная энергия речевого сигнала сосредоточена в достаточно узкой полосе частот – 250..500Гц и спад в сторону высоких частот составляет 6дБ на октаву. Среднестатистическое распределение спектральной плотности средней мощности речевого сигнала приведено на графике ниже.

Для проведения тестов я воспользовался своим домашним оборудованием – звуковым USB-интерфейсом Roland QUAD-CAPTURE (UA-55) и программой SpectraPLUS.

Источником звука выступил активный 5" монитор ближнего поля Pioneer S-DJ50X с диапазоном воспроизводимых частот 50Гц..20кГц.

Измеренная с расстояния 1м, приведённая АЧХ показана ниже. Тестовым сигналом послужил логарифмический свип-тон (sweep tone), представляющий из себя синусоиду с постоянно увеличивающейся частотой. Огибающая его пиковых значений явилась зависимостью амплитуды выходного от частоты входного сигнала.
Зеленая линия – это передаточная характеристика звукового интерфейса (когда вход и выход соединены). Бирюзовая – микрофон BM-700. Фиолетовая – ECM-1A, на электретном 25мм капсюле (грубо говоря, этот график и есть АЧХ источника звука, с явным резонансом в области 100Гц и провалом на 850Гц). Малиновая – CM-1A, на конденсаторном 34мм капсюле. Серым цветом выделен интересующий нас диапазон.

В области максимума спектральной плотности речи (выделен розовым) оба модернизированных микрофона имеют приблизительно одинаковую, близкую к линейной (если абстрагироваться от источника звука), АЧХ, в отличие от исходного BM-700, который имеет в данном диапазоне спад порядка 3дБ. Этот спад нежелателен и обусловлен недостаточным входным сопротивлением штатного усилителя. На практике он заставляет вокалиста (или диктора) приближаться к микрофону, со всеми вытекающими последствиями – неестественность звучания, «взрывные» согласные, «бочковатый» окрас.
Анализируя полученные данные, можно сказать, что для записи речи и вокала наиболее предпочтительным оказался классический конденсаторный микрофон, т.к., имея более рельефную АЧХ с подъемом на верхних частотах, он позволяет улучшить разборчивость голоса.

Наконец пришло время ответить на главный вопрос – «Как звучит каждый микрофон?» Для этого по эталонному файлу запишем звук с каждого из микрофонов без какой-либо обработки. Уровень сигнала для каждого из них устанавливался регулятором чувствительности индивидуально по отсутствию клиппинга (clipping), т.е. без ограничения амплитуды. Расстояние записи – 0,4м.

Результаты тестовой записи доступны на SoundCloud.

Шум в паузах у модернизированных микрофонов обусловлен больше гулом от кулеров компьютера и общей зашумлённостью помещения, нежели собственным шумом.

Подводя итог, следует отметить, что выбор оптимального микрофона, который наиболее точно передаст всю красоту и оригинальность голоса конкретного исполнителя – это задача сложная и разрекламированным дешевым китайским ширпотребом решить её, увы, нельзя. Однако, грамотно применив знания по акустике и электронике, можно своими руками сделать относительно недорогой высококачественный микрофон, который не будет уступать моделям именитых брендов.

В заключении хочу всем пожелать только качественных и чистых записей, небольшого количества дублей, успешного сведения и, если не отсутствия, то хотя бы минимального количества ошибок.

Успехов вам!