Microphone - maikurahon (English spelling) microphone

Japanese: マイクロホン - まいくろほん（英語表記）microphone

A device that receives an acoustic signal and converts it into an electrical signal. It is also called a microphone for short. A telephone transmitter is also a type of microphone. It was first used as a telephone transmitter when Bell invented the telephone in 1876.

[Akiyoshiro Yoshikawa]

Principles and Classification

Generally, sound waves vibrate a diaphragm, and an electroacoustic conversion element, either integrated with the diaphragm or attached to the diaphragm, generates an electrical output proportional to the sound waves. Based on the principle of electroacoustic conversion, they are broadly divided into three types: those that use changes in electromagnetic energy (broadly defined electromagnetic type), those that use changes in electrostatic energy (broadly defined electrostatic type), and those that use changes in electrical resistance (resistance type).

[Akiyoshiro Yoshikawa]

Electromagnetic Type

The broad electromagnetic type includes dynamic microphones, ribbon microphones, magnetic microphones, and the like.

A dynamic microphone has a cylindrical coil attached to a diaphragm placed in a magnetic field, and is structurally the same as a dynamic speaker. When the diaphragm vibrates due to sound waves, the coil moves in the magnetic field and generates electricity. It operates without distortion over a wide frequency range and dynamic range, and is used widely from commercial to consumer purposes. It is also called an electrodynamic microphone or a moving coil microphone.

A ribbon microphone is a thin ribbon made of high-strength aluminum or titanium, several micrometers to several tens of micrometers thick, placed in a magnetic field, which directly receives sound waves and generates electricity through the vibrations of the ribbon itself. The ribbon acts as both a vibrator and a power generating element, and has good characteristics, but as it is a thin and light ribbon, it is easily affected by breath and wind. It is mainly used for professional purposes such as broadcasting.

A magnetic microphone uses a mechanism in which a diaphragm is made from a ferromagnetic material, a permanent magnet and a fixed coil are placed on opposite poles of the magnetic material with a narrow gap between them, and when the diaphragm vibrates and the gap increases or decreases, electricity is generated in the fixed coil. It has the characteristics of being small, lightweight, highly sensitive, and inexpensive. Because it is difficult to make one with good characteristics, it is being used less and less for general purposes.

[Akiyoshiro Yoshikawa]

Electrostatic Type

The broad category of electrostatic microphones includes condenser microphones, electret microphones, and piezoelectric microphones.

Condenser microphones and electret microphones have a structure in which a diaphragm and a counter electrode with a parallel surface face each other with a thin gap between them. When the diaphragm vibrates and the gap increases or decreases, the capacitance between the diaphragm and the counter electrode changes, and the strength of the electric field that was previously applied there changes, and an electric output is extracted. The difference between condenser microphones and electret microphones is that the former is structured so that a constant electric field is applied to the gap by supplying a DC voltage from an external DC power source between the diaphragm and the back electrode, while the latter omits the DC power source by making either the diaphragm or the counter electrode out of electret material (which can be thought of as the electric field version of a permanent magnet), which has the property of stably storing a permanent electric field. In condenser microphones and electret microphones, the thickness of the diaphragm can be made as thin as possible as long as the mechanical strength allows, and is used in the form of a thin film of several micrometers to several tens of micrometers. It has a simple structure and is easy to make one with stable characteristics and high reliability. They have good sensitivity, good characteristics over a wide frequency range, and can be easily miniaturized, making them suitable for a wide range of applications from commercial to consumer use. Precision-made condenser microphones are used as standard instruments for acoustic measurements, and in Japan, the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology manages them as such.

Piezoelectric microphones utilize the phenomenon that an electromotive force called piezoelectricity is generated when force is applied to a thin plate made of piezoelectric crystals such as Rochelle salt or piezoelectric ceramics such as lead zirconate titanate (PZT). They have the advantage of being small and lightweight. Microphones that use piezoelectric crystals are sometimes called crystal microphones, and those that use piezoelectric ceramics are sometimes called ceramic microphones.

[Akiyoshiro Yoshikawa]

Resistance Type

An example of a resistive microphone is the carbon microphone. It is constructed by filling a container with fine carbon powder, with part of the container's wall (the lid) acting as the diaphragm. When a constant direct current is passed through the carbon powder in advance, the diaphragm vibrates, changing the contact state of the carbon powder and changing its resistance value, which in turn changes the direct current according to the state of the sound.

In the resistive type, the input sound only serves to control the state of the electrical energy supplied in the form of direct current, and the input sound energy is not converted into output electrical energy. As a result, it is possible to extract an electrical output much greater than the acoustic input, and it acts as a kind of amplification. Due to this special property, it played an important role in broadcasting in the early days of radio broadcasting, when amplifiers had low performance and were expensive. However, because it had drawbacks such as unstable operation, high noise, and high distortion, it fell out of use for purposes requiring high fidelity, such as broadcasting and recording, once electromagnetic and electrostatic types of microphones were put into practical use. After that, it was used for a long time as a telephone transmitter, and played an important role in communication operations. As telephone circuits were computerized, it was withdrawn from telephone use as well, and now this type of microphone is rarely seen.

[Akiyoshiro Yoshikawa]

Microphone Directionality

The degree to which a microphone's sensitivity varies depending on the direction the sound is incident on is called the microphone's directivity. When a microphone has uniform sensitivity to sounds from all directions it is called omnidirectional or non-directional. When it has high sensitivity in only one direction it is called unidirectional, and when it has high sensitivity in one direction and the opposite direction it is called bidirectional. The best directionality depends on the purpose of use. Omnidirectionality is desirable to pick up sounds from all directions, while unidirectionality is desirable to pick up sounds from a specific direction while excluding unwanted surrounding sounds.

Dynamic and condenser microphones are basically microphones in which sound acts only on the front of the diaphragm, and in terms of operation, they belong to a group called pressure microphones. Since sound pressure has no directionality, these microphones are basically omnidirectional. However, as the frequency of the sound increases, the sensitivity to the front increases, and the microphone becomes closer to unidirectional.

Basically, ribbon microphones are designed so that sound acts on both sides of the ribbon. The vibration of the ribbon is proportional to the difference in pressure on both sides, which corresponds to being proportional to the speed of the medium particles transmitting the sound, and in terms of operation, they belong to the group called speed microphones or velocity microphones. The speed of the medium particles has directionality, and the ribbon vibrates most effectively for sound waves incident from the front and back, and does not vibrate for sound waves incident from the side, so ribbon microphones are bidirectional. The above is the basic structure, and even dynamic microphones and condenser microphones can become bidirectional if they are designed so that sound is added not only from the front of the diaphragm but also from the back, and ribbon microphones can have omnidirectional characteristics if the back is covered. Also, a unidirectional microphone can be obtained by combining an omnidirectional microphone with a bidirectional microphone.

[Akiyoshiro Yoshikawa]

Microphones from a usage perspective

Based on the basic structure described above, microphones with various names are produced depending on their intended use.

(1) Lapel microphone: A small microphone that is attached to a buttonhole in the collar of a jacket.

(2) Close-talking microphones These pick up the sound just before the lips and are designed to minimize the influence of surrounding noise when used outdoors, etc. They are often attached to a hat or used in combination with headphones.

(3) Ultra-directional microphone: A super-directional microphone is a microphone that has been made particularly directional by combining multiple microphone elements and electrically processing their electrical output or by using a parabolic acoustic reflector in combination.

(4) Wireless Microphone A microphone is combined with a small radio transmitter, and the microphone output is transmitted via radio waves, eliminating the need for bothersome electrical wires.

[Akiyoshiro Yoshikawa]

[Reference] | Speakers | Transmitters | Wireless microphones

Principles and classification of microphones
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Principles and classification of microphones

Microphone Directional Patterns and Characteristics
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Microphone Directional Patterns and Characteristics

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

音響信号を受けてそれを電気信号に変換する装置。略してマイクmikeともいう。電話用の送話器もマイクロホンの一種である。1876年にベルが電話を発明した際に、電話送話器として用いたのが最初である。

［吉川昭吉郎］

原理と分類

一般に、音波によって振動板を振動させ、振動板と一体になっているか、振動板に取り付けられた電気音響変換素子で、音波に比例する電気出力を発生させる。電気音響変換の原理から、電磁エネルギーの変化を利用するもの（広義の電磁型）、静電エネルギーの変化を利用するもの（広義の静電型）、電気抵抗の変化を利用するもの（抵抗型）の3種に大別される。

［吉川昭吉郎］

電磁型

広義の電磁型に属するものには、ダイナミックマイクロホン、リボンマイクロホン、マグネチックマイクロホンなどがある。

　ダイナミックマイクロホンは、振動板に取り付けられた円筒状のコイルが磁界の中に置かれたもので、構造的にはダイナミックスピーカーと同一である。音波によって振動板が振動すると、コイルが磁界中を動いて発電が行われる。広い周波数範囲、広いダイナミックレンジにわたってひずみのない動作が行われ、業務用から民生用まで広く使われる。動電マイクロホン、ムービング・コイル・マイクロホンともよばれる。

　リボンマイクロホンは、高力アルミニウムやチタンなどでつくられた厚さ数マイクロメートルから数十マイクロメートルの薄いリボンを磁界の中に置いて、音波をこのリボンで直接受け、その振動によってリボン自身に発電が行われる仕組みのものである。リボンが振動体と発電素子を兼ねているのが特徴で、特性はよいが、薄くて軽いリボンを使うため、息や風の影響を受けやすい。主として放送などの業務用に使われる。

　マグネチックマイクロホンは、振動板を強磁性体材料でつくり、狭い間隙(かんげき)を介して磁性体の対極に永久磁石および固定コイルを置き、振動板が振動して間隙が増減したとき、固定コイルに発電が行われる仕組みを利用するものである。小型、軽量、高感度、かつ安価にできる特徴をもつ。特性のよいものをつくることがむずかしいため、一般用途に使われることは少なくなってきている。

［吉川昭吉郎］

静電型

広義の静電型に属するものには、コンデンサーマイクロホン、エレクトレットマイクロホン、圧電マイクロホンなどがある。

　コンデンサーマイクロホンとエレクトレットマイクロホンは、振動板とこれに平行な面をもつ対電極とを薄い間隙を介して対向させる構造をもつ。振動板が振動して間隙が増減すると、振動板と対電極間の静電容量が変化し、あらかじめここに加えられていた電界の強さが変化して、電気出力が取り出される仕組みである。コンデンサーマイクロホンとエレクトレットマイクロホンの違いは、前者が振動板と背電極との間に外部の直流電源から直流電圧を供給して、間隙に一定の電界をかける構造であるのに対し、後者は永久電界が安定に保存される性質をもつエレクトレット材料（永久磁石の電界版と考えればよい）で振動板または対電極のいずれかをつくることにより、直流電源を省略したものである。コンデンサーマイクロホンおよびエレクトレットマイクロホンでは、振動板の厚さは機械的強度が許される限り薄くすることができ、数マイクロメートルから数十マイクロメートルの薄膜状で使われる。構造が簡単で、安定した特性と高い信頼性をもつものをつくりやすい。感度がよく、広い周波数範囲にわたって良好な特性を得ることができ、小型化も容易なため、業務用から民生用まで用途が広い。とくに精密につくられたコンデンサーマイクロホンは、音響計測の標準器として使われ、日本では、産業技術総合研究所が標準器としての管理を行っている。

　圧電マイクロホンは、ロッシェル塩などの圧電結晶や、チタン酸ジルコン酸鉛（PZT）などの圧電磁器でつくられた薄板に力が加えられたとき、圧電気とよばれる起電力が発生することを利用する。小型、軽量にできる特長がある。圧電結晶を用いたものをクリスタルマイクロホン、圧電磁器を用いたものをセラミックマイクロホンとよぶことがある。

［吉川昭吉郎］

抵抗型

抵抗型マイクロホンの実例に炭素マイクロホン（カーボンマイクロホン）がある。炭素の微粉を容器に詰め、その容器の壁の一部（蓋(ふた)）が振動板を兼ねる構造をもつ。炭素粉にあらかじめ一定の直流電流を流しておくと、振動板が振動することにより炭素粉の接触状態が変化して抵抗値が変わり、その結果、直流電流が音の状態に応じて変化することを利用する。

　抵抗型では、入力の音は直流電流の形で供給されている電気エネルギーの状態を制御する働きをするだけで、入力される音のエネルギーが出力の電気エネルギーに変換されるわけではない。このため、音響入力よりもはるかに大きな電気出力を取り出すことができ、一種の増幅作用がある。この特別な性質のため、増幅器の性能が低く、高価であったラジオ放送の初期には放送用として重要な役割を果たした。しかし、動作が不安定、雑音が大きい、ひずみが多いなどの欠点があるため、電磁型や静電型などのマイクロホンが実用化されると、放送や録音などの高忠実度が要求される目的には使われなくなった。その後は電話用送話器として長い間使われ、通信業務に大きな役割を果たした。電話機回路が電子化されるに伴い電話用からも撤退し、いまはこの形式のマイクロホンを見ることはほとんどない。

［吉川昭吉郎］

マイクロホンの指向性

マイクロホンの感度が音の入射する方向によって異なる度合いを、マイクロホンの指向性という。あらゆる方向からの音に対して一様な感度をもつ場合を全指向性または無指向性という。一方向だけに高い感度をもつ場合を単一指向性、ある方向とその反対方向に高い感度をもつ場合を双指向性などという。どのような指向性がよいかは、使用目的によって異なる。どの方向からの音も収音するためには全指向性が望ましく、逆に周囲の不要な音を除いて特定方向の音を収音するためには単一指向性が望ましいということになる。

　ダイナミックマイクロホンやコンデンサーマイクロホンは、基本的に音が振動板の前面だけに作用するもので、動作上は圧力マイクロホンまたはプレッシャーマイクロホンとよばれるグループに属する。音の圧力には方向性がないので、このようなマイクロホンは基本的に全指向性である。ただし、音の周波数が高くなるにしたがい、正面の感度が大きくなって、単一指向性に近くなる。

　リボンマイクロホンは、基本的に音がリボンの両面に作用するようになっている。リボンの振動は両面にかかる圧力の差に比例するが、これは音を伝える媒質粒子の速度に比例することに相当し、動作上は速度マイクロホンまたはベロシティマイクロホンとよばれるグループに属する。媒質粒子の速度には方向性があり、正面と背面からの入射音波に対してリボンはもっともよく振動し、側面からの入射音波に対してリボンは振動しないので、リボンマイクロホンは双指向性をもつことになる。以上述べたことは基本構造であって、ダイナミックマイクロホンやコンデンサーマイクロホンであっても、振動板の前面だけでなく、背面からも音が加わる構造にすれば双指向性になるし、リボンマイクロホンでも背面をふさげば全指向性の特性をもつようになる。また、全指向性マイクロホンと双指向性マイクロホンを組み合わせることにより、単一指向性マイクロホンが得られる。

［吉川昭吉郎］