エレクトレット・コンデンサ・マイクロフォンについて知っておくべきこと

オーディオ技術の分野において、エレクトレット・コンデンサ・マイクロフォン（ECM）は、さまざまなアプリケーションでサウンドキャプチャと汎用性を実現する実証済みのコンポーネントとして使用されています。MEMSマイクロフォンの対抗品が最近注目されていますが、柔軟性のあるマウントスタイル、指向性オプションの数々などからECMは様々な設計においてまだ多くの用途があります。このブログ記事では、ECMの仕組み、指向性、主な仕様について説明します。周囲の音をキャプチャする無指向性マイクロフォンから、特定の音源に焦点を当てた一方向性のバリエーションまで、さまざまな設定で最適なパフォーマンスを確保するためのECMの選択とマウントに関するベストプラクティスについて説明します。

Same Skyのエレクトレット・コンデンサ・マイクロフォンとMEMSマイクロフォン製品のラインナップをご覧ください。また、この2つのテクノロジーを比較したブログ記事やビデオで、それらの違いについても詳しくご覧いただけます。

エレクトレット・コンデンサ・マイクロフォンとは？

エレクトレット・コンデンサ・マイクロフォン（ECM）は、キャパシタ・マイクロフォンとも呼ばれ、永久的に帯電または偏光された強誘電材料であるエレクトレットを使用しています。その材料の高い抵抗と化学的な安定性のために、その電荷は何百年も減衰しません。この名前は「静電と磁石」から来ています。静電荷は、材料中の静電荷の整列によってエレクトレットに埋め込まれます。これは、磁石の磁気領域を鉄片に整列させることによって磁石が作られる方法です。エレクトレット・コンデンサ・マイクロフォンは、マイクロフォンを動作させるための偏光電圧の必要性を排除するため、この特定の特性は設計者にとって有益です。

エレクトレット・コンデンサ・マイクロフォンの仕組みについて

エレクトレット・コンデンサ・マイクロフォンの作動原理は、ダイヤフラムがコンデンサの1つのプレートとして機能することです。振動により、ダイアフラムとバックプレート間の距離が変化します。静電容量方程式に従って、ダイアフラムとバックプレート全体で維持される電圧は、空気中の振動によって変化します。

場所：

• Q = クーロン単位の電荷
• C = ファラドの静電容量
• V = 電位差（V）

この電圧の変化はFETによって増幅され、DC遮断コンデンサの後に出力にオーディオ信号が表示されます。

基本的な操作以外の部分については、エレクトレット・コンデンサ・マイクロフォンの典型的な構造は、不織布、ケース、極性リング、ダイアフラム、スペーサー、バックプレート、ベース、銅リング、プリント回路基板（PCB）で構成されています。このエレクトレット材料は、ダイアフラムに適用され、極性リングとして表示されます。ここでは、ECMの構造を強調し、一般的なECMの個々のコンポーネントを分解した図が示されています。

この図は、すべてのコンポーネントがアセンブリされた後の一般的なエレクトレット・コンデンサ・マイクロフォンの構造を示しています。

マイクロフォンの指向性または極性パターン

エレクトレット・コンデンサ・マイクロフォンには複数の指向性または極性パターンがあります。これはマイクロフォンがさまざまな方向から音を拾う方法を定義しています。マイクロフォンの指向性は、特定のアプリケーションと使用要件を理解するための重要な仕様で、特定のアプリケーションと使用要件によって決定されます。利用可能な最も一般的なECM指向性タイプは、全方向性、一方向性、そしてノイズキャンセリングです。これらについて、それぞれ詳しく説明していきます。

無指向性マイクロフォン

無指向性マイクロフォンは、ほぼあらゆる方向から振動を受けるように設計されています。次の各セクションの図は、マイクロフォンが音を受信する方法のパターンを示しています。このマイクロフォンは上向き（ビューアに向かって）に面し、特定の周波数の音の強度は0°から360°の角度で放射状にプロットされ、0°はマイクロフォンの前面を表しています。これらのマイクロフォンはどの方向からでも音声を拾うことができるため、多くの場合、ボーカリストのグループを録音したり、電話会議などの会議に使われます。しかし、無指向性マイクにはいくつかの欠点があります。マイクロフォンは、欲しい音と欲しくない音を区別することができないため、環境からの周囲ノイズを拾い上げて増幅してしまう可能性があります。

一方向性マイクロフォン

一方向性マイクロフォンは、主に一方向からの音に敏感で、話し声やキーボード、紙の音などの不要なバックグラウンドノイズを排除します。このタイプのパターンを持つマイクロフォンは、希望の場所以外の方向からの音を拒否するのが得意で、一般的に音声またはスピーチマイクロフォンとして使用されます。以下の図は、180°のオフ軸で広範囲のピックアップと最大拒否を持つ最も一般的な一方向性パターンを示しています。

ノイズキャンセリング周波数応答

双方向マイクロフォンとも呼ばれるノイズキャンセリング・マイクロフォンは、周囲のノイズを目的の音や方向から除去するように設計されています。これらは特に騒音の多い環境に便利です。すべてのノイズキャンセリング・マイクロフォンには、音声が流れるポートが少なくとも2つあります。通常、前部ポートは目的の音に向けられ、もう一つのポートはより遠い音に向けられます。後部よりも前部ポートにはるかに近い音は、ダイヤフラムの前部と後部の間の圧力勾配をより多くし、より多くの動きを引き起こします。このマイクロフォンの近接効果は、マイクの前面に非常に近い音源に対してフラットな周波数応答が得られるように調整されます。他の角度から到着する音は、急な中音域と低音域のロールオフの対象となります。双方向ノイズキャンセリング・マイクロフォンは、コールセンター、ヘリコプター、レーシングカードライバーのヘッドセットなどに使われています。

エレクトレット・コンデンサ・マイクロフォンの主な仕様

• 指向性： マイクロフォンの方向または極性パターンは、中心軸の周りで異なる角度で到達する音に対してどの程度敏感であるかを示します。
• 感度低下（dB）： マイクロフォンに電力を供給する電圧が低下すると、そのマイクロフォンが失うゲインの量。
• 感度： マイクロフォンの感度は、マイクロフォンが音をどの程度うまく拾うかを測定します。より敏感なマイクロフォンは、より静かな音や遠方の音をより簡単に検出し、より強い信号を生成することができます。感度の低いマイクロフォンは、同じ音レベルをキャプチャするためにより多くの増幅を必要とし、ノイズを加える可能性があります。この特性は、音楽の録音やノイズの多い環境での音声のキャプチャなど、さまざまな用途に最適なマイクロフォンを決定するのに役立ちます。
• 信号対雑音比（SNR）： マイクロフォンが記録する望ましい信号（音声、音楽など）のレベルを、背景から拾うノイズのレベルと比較して測定する比率。

エレクトレット・コンデンサ・マイクロフォンのマウントに関する注意事項

ECMは、PCBピン、コネクタ付きまたはコネクタなしのリード線、端子タイプなど、アプリケーション要件に応じてさまざまなマウント構成があります。端子の種類は、リフローはんだ対応サーフェイスマウントやはんだ付け用はんだパッドなど、さらに分類することができます。

エレクトレット・コンデンサ・マイクロフォンをマウントするときは、マイクロフォンを製品エンクロージャから機械的に隔離して、音と振動がエンクロージャからマイクロフォンに転送されないようにしながら、マイクロフォンがエンクロージャの前面穴から音だけを受信するようにします。マイクロフォンの前面にあるエンクロージャーの厚さは1mm未満で、マイクロフォンの前面にある穴の直径は、1つの穴で1.3mm以上、複数の穴で0.8mm以上である必要があります。延長された穴の幅は、0.8mm以上でなければなりません。

低振動用途では、マイクロフォンを摩擦嵌めで取り付けたり、スリーブに接着したりすることができますが、高振動用途では、マウントスリーブを拡張する必要があるため、マイクロフォンの背面とスリーブに接着剤を適用することもできます。

結論

エレクトレット・コンデンサ・マイクロフォンは、現代のオーディオ技術において依然として不可欠なツールとなっています。音を正確かつ明瞭に捉える能力と、多用途の指向性機能を組み合わせることで、幅広い用途に不可欠です。ECMの仕組みと主な仕様を理解することで、ユーザーはニーズに合ったマイクロフォンを選ぶ際に、情報に基づいた意思決定を行うことができます。Same Skyのマイクロフォンの全ラインアップとオーディオデザインサービスもぜひご利用ください。