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    Mikrofontechnologie – die Grundlagen 1/2

    Der Bühnenklassiker: das SM58, ein dynamisches Mikro … © Andy C.

    Ist es nicht interessant sich mal anzuschauen, wie so ein Mikro aufgebaut ist und wie es funktioniert? Ich benutze so´n Ding fast täglich, ohne wirklich zu wissen wie es eigentlich konkret arbeitet – Es wird daher Zeit, sich mal eingehend mit der Technik eines Mikrofons zu beschäftigen …

    Also erstmal ganz einfach formuliert, ist so ein Mikrofon ein elektroakustisches Gerät, das akustische analoge Energie in dynamische elektrische Energie umwandelt …

    … Diese Umwandlung erfolgt über ein mechanisches System, in der Regel eine Membran, die durch ein Schallfeld in Schwingungen versetzt wird. Die mechanische Bewegung wird dann durch eine elektromagnetische Kopplung in ein elektrisches Signal umgewandelt.

    Der Schall als physikalisches Phänomen, wird entweder durch den Schalldruck, die Teilchengeschwindigkeit oder die Schallintensität beschrieben. Die meisten Mikrofone reagieren auf den Schalldruck, den Schalldruckgradienten oder eine Kombination aus beidem.

    Mikrofonarten

    In diesem Abschnitt werden nur auf folgende Mikrofontypen eingegangen, da sie im professionellen Audiobereich eine Hauptrolle spielen:

    • Druckmikrofone
    • Druckgradientenmikrofone
    • Kombination von Druck- und Druckgradientenmikrofonen

    Die obige Klassifizierung bezieht sich nicht auf das Wandlungsprinzip von Schallenergie in Elektrizität. Daher muss eine weitere Unterteilung vorgenommen werden:

    • Dynamische Mikrofone
    • Kondensatormikrofone
    • Digitale Mikrofone

    Kristallmikrofone, Heizdrahtmikrofone und Kohlemikrofone und andere Exoten wollen wir hier nicht beschreiben, weil sie im professionellen Audiobereich keine Rolle spielen.

    Druckmikrofone

    Ein Druckmikrofon besteht im Prinzip aus einer Membran, die sich vor einer geschlossenen Kammer befindet. Eine Schalldruckwelle kann die Membran nur von einer Seite erreichen. Beim Druckmikrofon sind die erzeugten elektrischen Signale mit dem Schalldruck proportional, d.h. elektrisches Signal und Schalldruck steigen linear an. Beim Druckmikrofon ist die schallaufnehmende Membran vor einem nach hinten geschlossenen Hohlraum angebracht.

    Prinzip eines Druckmikrofons – eine Membran
    vor einer geschlossenen Kammer (ohne Schallwandler) / © DPA

    Einfallender Schall wird damit weitgehend unabhängig von der Einfallsrichtung immer mit gleicher Polarität und Intensität wiedergegeben. Ein Druckmikrofon kann mit einem Manometer zur Messung des Drucks in einer Flüssigkeit verglichen werden, das den Druck als richtungsunabhängigen Wert misst. Es spielt keine Rolle, in welche Richtung die Membran zeigt. Ausschlaggebend ist nur der Druck in der tatsächlichen Tiefe.

    Prinzip eines Druckwandlers (bsp. Manometer zur Messung des Drucks) / © DPA

    Ein Druckmikrofon erfasst den Schalldruck unabhängig davon, aus welcher Richtung der Schall eintritt. Ein Druckmikrofon ist omnidirektional.

    Die physikalischen Abmessungen des Mikrofons beeinflussen jedoch das Schallfeld, in dem es sich befindet. Bei höheren Frequenzen mit Wellenlängen, die kleiner als der Membrandurchmesser sind, kommt es zu einem Druckanstieg, wenn der Schall in Achse auf die Membran trifft. Das Ergebnis ist eine erhöhte Ausgangsleistung des Mikrofons.

    Umgekehrt, wenn der Schall direkt von der Rückseite des Mikrofons (0° Grad, direkt von vorne = 180° Grad) kommt, tritt ein besonderer Verschattungseffekt  auf. Der Grad der Beeinflussung durch diese Phänomene hängt von den Abmessungen des Mikrofons ab. Je größer die Membran und die Abmessungen des Mikrofongehäuses sind, desto tiefer im Frequenzbereich liegt eine erhöhte Empfindlichkeit vor.

    Wenn also der Schall die Membran nur von vorne und seitlich erreicht, handelt es sich um ein Druckmikrofon und damit eine Kugelcharakteristik .

    Druckgradientenmikrofone

    Bei einem Druckgradientenmikrofon kann der Schalldruck die Membran sowohl von vorne als auch von hinten erreichen. Die Ausgangsspannung eines Mikrofons ist proportional zum Druckgradienten, d.h. zum Druckunterschied zwischen Vorder- und Rückseite der Membran. Wenn der Schall von der Seite kommt, herrscht auf beiden Seiten der membran der gleiche Druck. Dann gibt es kein Gefälle und somit auch kein Signal aus dem Mikrofon.

    Prinzip eines Druckgradientenmikrofons / © DPA

    Ein Druckgradientenmikrofon ist bidirektional und weist die Richtcharakteristik einer Acht  auf. Wie bei Druckmikrofonen sind auch die Eigenschaften von Druckgradientenmikrofonen eng mit dem Schallfeld verbunden, in dem sie aufgestellt sind.

    Druckgradient bei verschiedenen Wellenlängen / © DPA

    Der Unterschied im Schalldruck hängt von der Wellenlänge des Signals ab. Tiefe Töne, d.h. Frequenzen mit einer großen Wellenlänge, größer als der Abstand zwischen Vorder- und Rückseite der Membran, ergeben nur einen geringen Druckunterschied.

    Mit zunehmender Frequenz nimmt die Druckdifferenz zu und damit auch die Membranbewegung. Die maximale Membranbewegung wird bei der Frequenz erreicht, bei der die halbe Wellenlänge gleich dem Abstand zwischen Vorder- und Rückseite der Membran ist.

    Druckunterschied zwischen zwei Punkten einer Schallwelle / © DPA

    Bei Mikrofonen mit Standardgröße geschieht dies bei etwa 5–10 kHz. Bei kürzeren Wellenlängen werden die Bedingungen noch komplizierter, und die Achter-Charakteristik muss durch mechanische Konstruktionen unterstützt werden, die für Abschattungs- oder Interferenzeffekte sorgen.

    Nahbesprechungseffekt

    Dem “unbearbeiteten” Frequenzgang eines Druckgradientenmikrofons fehlt es an Bass. Die Steilheit der Kurve beträgt +6 dB/Oktave. Damit das Mikrofon einen angemessenen Tieffrequenzgang aufweist, werden bei der Konstruktion verschiedene Techniken eingesetzt, um einen linearen Frequenzgang zu erzielen.

    Ein Ansatz besteht darin, die Membran schlanker zu machen, was zu einer geringeren Resonanz  (lat. resonare = widerhallen – das verstärkte Mitschwingen eines schwingfähigen Systems) führt – wie beim Stimmen einer Trommel. Je nach Konstruktion und der erforderlichen Empfindlichkeit gibt es einen Roll-Off (Low Cut: weniger Körperschall) von 12 dB/Oktave unterhalb der Resonanz. Alle Gradientenmikrofone weisen an einem bestimmten Punkt eine Tiefenabsenkung auf.

    Bei Druckgradientenmikrofonen kommt noch ein weiterer Faktor ins Spiel: Wenn sich die Schallquelle in der Nähe des Mikrofons befindet, kommt es zu einer Bassanhebung. Dieses Phänomen wird als Nahbesprechungseffekt  bezeichnet. Dieser Effekt ist auf das quadratische Abstandsgesetz (Gesetz des Verlusts von 6 dB pro Entfernungsverdopplung von einer Schallquelle) zurückzuführen. Dieser Effekt kommt bei kurzen Entfernungen zum Tragen.

    Der Nahbesprechungseffekt: Bassanhebung in Abhängigkeit vom Abstand
    zur Schallquelle, bidirektionale Mikrofone und Nierenmikrofone / © DPA

    Befindet sich z.B. eine Punktschallquelle 2 cm von einer Membran entfernt und beträgt der Abstand von der Vorderseite zur Rückseite der Membran ebenfalls 2 cm, so beträgt der Druckunterschied 6 dB. Dieses Differenzprinzip gilt für den gesamten Frequenzbereich. Da jedoch der Druckunterschied bei niedrigen Frequenzen gering ist, führt die zusätzliche Differenz zu einer erhöhten Leistung bei niedrigen Frequenzen. Mit anderen Worten: Wenn die Schallquelle näher an das Mikrofon herankommt, erhält der Ton mehr Bass.

    Kombinierte Druck- und Druckgradientenmikrofone

    Kombiniert man das Druck- und das Druckgradientenprinzip, erhält man ein Richtmikrofon mit breiter Niere (Subniere), Niere, Superniere  und Hyperniere. Die Kopplung der beiden Prinzipien kann entweder mechanisch oder elektrisch erfolgen.

    Bei der mechanisch-akustischen Kopplung wird der Teil des Schalls, der auf die Rückseite der Membran wirkt, durch eine oder mehrere Öffnungen des Mikrofongehäuses geführt. Durch Variation der Größe und Dämpfung dieser Öffnungen lassen sich die Eigenschaften von Kugelcharakteristik (vollständig geschlossenes Mikrofongehäuse) bis hin zu bidirektionaler Charakteristik (Schall kann gleichermaßen Vorder- und Rückseite der Membran erreichen) einstellen. Diese Form der Kopplung kann sowohl für dynamische als auch für Kondensatormikrofone verwendet werden.

    Dieses Mikrofongehäuse lässt den Schall in die hintere Öffnung eindringen, wodurch ein Druckunterschied entsteht / © DPA

    Durch teilweises Verschließen der Membranrückseite wird die Öffnung mit porösem oder perforiertem Dämpfungsmaterial verdeckt, so dass der Schall verzögert passieren kann. Durch diese Technik wird sichergestellt, dass der rückseitig eintreffende Schall (180° auf Achsenrichtung) gleichzeitig die Vorder- und Rückseite der Membran erreicht.

    Dies führt dazu, dass sich die Membran nicht bewegt und das Mikrofon sich so verhält, als sei es unempfindlich gegenüber rückseitigem Schall. Bei anderen Schallrichtungen (≠180°) hat die Membran eine erhöhte Empfindlichkeit. Dieses Mikrofon verfügt so über eine Nierencharakteristik.

    Beispiel für ein kombiniertes Druck- und Druckgradientenmikrofon / © DPA

    Indem die Dämpfung des Schalls auf der Rückseite der Membran bis zu einem gewissen Grad verändert wird, wird das Mikrofon unempfindlich gegenüber Schalleinfall aus einem Winkel von 120° außerhalb der Achse. Es handelt sich um ein Mikrofon mit Supernierencharakteristik , das für direkt von hinten eintreffendem Schall leicht empfindlich ist.

    Die elektrische Kopplung zwischen dem Druck- und dem Druckgradientenprinzip wird normalerweise nur bei Kondensatormikrofonen durchgeführt. Diese Art der Kopplung lässt sich leicht variabel gestalten und wird im Abschnitt über Kondensatormikrofone beschrieben.

    Das Mikrofon im Schallfeld

    Da sich das Mikrofon im Schallfeld befindet, hat das bei hohen Frequenzen einen störenden Einfluss. Es kommt teilweise zu einer Beugung um das Mikrofon herum sowie zu einer teilweisen Reflexion an der Vorderseite der Membran, was einen Druckaufbau zur Folge hat.

    Druckaufbau bei Wellenlängen, die gleich dem Durchmesser und kürzer als dieser sind / © DPA

    Druckmikrofone werden am meisten durch ihre physikalischen Abmessungen beeinflusst. Ihre kugelförmige Charakteristik ändert sich mit zunehmender Frequenz zu einer engeren Charakteristik. Gleichzeitig kommt es zu einer Druckakkumulation, weshalb der Frequenzgang bei hohen Frequenzen einen Anstieg von mehreren dB in Achsrichtung aufweist.

    Die Bauart von Druckmikrofonen weist oft einen Roll-Off bei höheren Frequenzen auf. Wenn ein Netz vor der Membran angebracht wird, weist dieser Hohlraum eine Resonanz auf, die die höheren Frequenzen anhebt, um den gewünschten linearen Freifeld-  oder Diffusfeld­frequenz­gang (1) zu erzielen.

    (1) Freifeld  = der Schall trifft aus einer Richtung, der Hauptrichtung 0°, im rechten Winkel auf die Membran. Diffusfeld  = wird auch Raumschallfeld R genannt; der Schall trifft aus allen Richtungen gleichmäßig auf die Membran.

    Außerdem können verschiedene Zubehörteile verwendet werden, wie z.B. akustische Druckausgleicher (APEs). Diese Geräte erhöhen den Frequenzgang und die Richtwirkung weiter.

    Ein Druckgradientenmikrofon mit einer Achter-Charakteristik kann bis zu seiner Grenzfrequenz ohne Beugungsprobleme konstruiert werden. Oberhalb der Grenzfrequenz können Beugung und Druckaufbau den abfallenden Frequenzgang teilweise korrigieren.

    Ein Druckgradientenmikrofon mit einer Achter-Charakteristik kann bis zu seiner Grenzfrequenz ohne Beugungsprobleme konstruiert werden. Oberhalb der Grenzfrequenz können Beugung und Druckaufbau den abfallenden Frequenzgang teilweise korrigieren.

    Ein typisches Designziel für Druckgradientenmikrofone ist es, die Freifeld- und die Diffusfeldcharakteristik möglichst parallel über den Frequenzbereich verlaufen zu lassen. Dadurch kann man den „räumlichen Effekt“ in der Aufnahme, d.h. das Verhältnis von Direktschall und reflektiertem Schall, anpassen, ohne die Frequenzbalance des Mikrofons zu verändern.

    Bei Druckmikrofonen muss man sich entweder für eine lineare Freifeldcharakteristik oder eine lineare Diffusfeldcharakteristik entscheiden. Dies kann durch die Wahl zwischen verschiedenen Grids (Netzen) für das Mikrofon bestimmt werden.

    Spezielle Richtmikrofone

    In bestimmten Situationen können Mikrofone mit einer stärkeren Richtwirkung erforderlich sein, als sie ein Mikrofon mit Nieren- oder Supernierencharakteristik bieten kann.

    Interferenzrohr-Mikrofon

    Ein Interferenzrohrmikrofon ist besonders nützlich, wenn eine gezielte Richtwirkung erforderlich ist. Sie werden oft als Gun – oder Shotgun -Mikrofon bezeichnet. Ein Interferenzmikrofon kann aus mehreren parallelen Rohren unterschiedlicher Länge bestehen, die senkrecht zum Mikrofonelement angeordnet sind. Am gebräuchlichsten ist jedoch ein einzelnes, engmaschiges Mikrofonrohr, das durch ein geschlitztes Hartschalenrohr geschützt ist.

    Interferenzrohr-Mikrofon / © DPA

    Beiden Konstruktionen gemeinsam ist das Funktionsprinzip: Trifft der Schall direkt in der Achse auf das Mikrofon, legen die Bestandteile der Schallwelle den gleichen Weg zurück. Dabei erreichen sie das druckempfindliche Element gleichzeitig und bleiben somit phasengleich.

    Trifft der Schall aus anderen Winkeln auf das Mikrofon, so durchlaufen die einzelnen Teile der Schallwelle unterschiedliche Wegstrecken, um das druckempfindliche Element zu erreichen. Die einzelnen Druckanteile können daher nicht die gleiche Phase haben und bilden in der Summe einen Schalldruck, der deutlich geringer ist als der, der durch den direkten Schalleinfall gebildet wurde.

    Die Ausblendung des seitlich einfallenden Schalls hängt von der Wellenlänge der betreffenden Schallwelle und dem Winkel ab, in dem der Schall einfällt.

    © DPA

    Da das moderne Interferenzrohr als langes Rohr mit Schlitzen über die gesamte Rohrlänge konzipiert ist, bietet es eine gleichmäßigere Dämpfung des seitlich eintreffenden Schalls, als dies mit einer limitierten Anzahl an Schall­eintritts­öffnungen möglich wäre. Allerdings muss eine akustische Dämpfung der Schallwellen vorgenommen werden, die dem druckempfindlichen Element am nächsten sind. Es geht also nicht nur um die Herstellung eines Rohres mit Schallschlitzen, sondern auch um eine geeignete Dämpfung des Rohres.

    Da Interferenzen (2) in einer Röhre erst bei Rohrlängen größer als die halbe Wellenlänge auftreten, kann die hohe Richtwirkung nur im oberen Frequenzbereich erzielt werden. Daher ist das Mikrofonelement (ohne Röhre) oft ein Nierenmikrofon, um eine gewisse Richtwirkung bei den tiefen Frequenzen zu erreichen.

    (2) Interferenz  = Die Überlagerung zweier oder mehrerer Wellen die sich gegenseitig durchdringen. Eine Welle hat eine Amplitude, also eine Auslenkung, mit positivem oder negativem Vorzeichen. Überlagern sich zwei dieser Wellen, addieren sich ihre Amplituden vorzeichenrichtig.

    Richtcharakteristik eines Interferenzrohrmikrofons (ähnlich der Supernierencharakteristik) / © DPA

    Ein Interferenzrohrmikrofon ist überwiegend in in einer Richtung empfindlich, weist jedoch zahlreiche Nebenkeulen (3) auf. In vielen Fällen wird der Frequenzgang außerhalb der Mikrofonachse sehr ungleichmäßig. Der Klang, der von ihnen erfasst wird, ist zwangsläufig mehr oder weniger unschön gefärbt.

    (3) Hauptkeule  = der Maximalbetrag der elektromagnetischen Strahlung eines in eine bestimmte Richtung gesendeten Signals; Nebenkeule = die elektro­magnetische Strahlung, die nicht in die gewollte Richtung abgestrahlt wird.

    Zoom-Mikrofone

    Das Zoom-Mikrofon ist so konstruiert, dass es einen variablen Richtungsfaktor aufweist. Dies wird erreicht, in dem zwei Mikrofonelemente in demselben Gehäuse untergebracht werden. Das eine ist als Interferenzrohrmikrofon ausgeführt und hat daher eine hohe Richtwirkung. Das andere kann ein reines Druckgradientenmikrofon erster Ordnung mit Nierencharakteristik sein.

    Die stufenweise Überblendung von einem Mikrofon zum anderen erlauben eine variable Richtcharakteristik, die akustisch an die fotografische Zoom-Funktion erinnern. Ein Zoom-Mikrofon hat jedoch seine Grenzen, da der maximal erreichbare Richtfaktor (4) 2 beträgt.

    (4) Richtfaktor  = eine abgestrahlte Leistung konzentriert sich auf einen bestimmten Teil des Raumes, doch die Abstrahlung erfolgt nicht homogen. Der Richtfaktor kennzeichnet die räumliche Empfindlichkeit.

    Parabolschirm

    Es ist möglich, die Richtwirkung eines Mikrofons zu erhöhen, indem man es im Brennpunkt eines parabolischen Schirms platziert. Dieses Prinzip wird vor allem bei der Aufnahme von Vogelstimmen eingesetzt. Auch bei Sportübertragungen wird dieser Schirm genutzt.

    Mikrofon im Brennpunkt eines Parabolschirms / © DPA

    Da der Parabolschirm aus Gründen der Handhabung nicht zu groß sein darf, ergibt sich daraus auch eine Untergrenze für die Frequenzen, die reflektiert und damit verstärkt werden können. In der Praxis liegt diese Grenze etwa zwischen 500 und 1000 Hz. Unterhalb dieser Frequenz verhält sich das Mikrofon so, als gäbe es keinen Schirm.

    Grenzflächenmikrofon

    Ein Grenzflächenmikrofon (BLM, Boundary Layer Microphone) ist im Allgemeinen ein gewöhnliches Mikrofonelement, das akustisch auf eine bestimmte Art eingesetzt wird.

    Wie der Name schon verrät, befindet sich dieses Mikrofon an der Grenzfläche oder Druckzone. Trifft Schall auf eine harte Oberfläche, wird der Schall reflektiert. Daher entsteht in unmittelbarer Nähe des reflektierenden Körpers ein Druckanstieg, der vom Mikrofon registriert wird. Der Druck an der Oberfläche ist also 6 dB größer als ohne reflektierende Oberfläche. Der Diffusschall dagegen wird nur um 3 dB verstärkt.

    Platziert man ein Mikrofon direkt auf der reflektierenden Oberfläche, so erhält man also ein 6 dB lauteres Signal. Die Fähigkeit des Mikrofons, weiter entfernte Schallquellen zu erfassen, ist auf die Verbesserung des Verhältnisses von Freifeld zu Streufeld um 3 dB zurückzuführen.

    Grenzflächenmikrofone / © DPA

    Das Grenzflächenmikrofon ist im Grunde ein Druckmikrofon. Es ist jedoch auch möglich, ein Richtmikrofon-Element zu verwenden, wenn es sehr nahe an der reflektierenden Oberfläche positioniert wird.

    Direktes und diffuses Schallfeld am Grenzflächenmikrofon / © DPA

    Anwendung von Signalbearbeitung

    Wenn besondere Eigenschaften gewünscht sind, beispielsweise hinsichtlich der Richtcharakteristik, kann digitale Signalbearbeitung vorteilhaft eingesetzt werden. Ein Beispiel dafür ist das KEM (Kardioid–Ebenen–Mikrofon), das vom Institut für Rundfunktechnik entwickelt worden ist. Das Mikrofon verhält sich wie ein umgekehrter Säulenlautsprecher. Ein Array von Mikrofonelementen liefert Signale. Die Summierung/Filterung in der anschließenden digitalen Verarbeitung führt zu einer Richtcharakteristik, die fast als „flach wie ein Pfannkuchen“ bezeichnet werden kann.

    KEM (Kardioid Ebenen Mikrofon) Microtec Gefell / © DPA

    Beamforming (4) wird durch die Verarbeitung der Signale vieler hintereinander oder auf einer größeren Fläche angeordneter Elemente erreicht (z.B. Deckenmikrofone in einer Deckenfliese, 600 x 600 mm).

    (4) Beamforming  (wörtlich: Strahl-Formung) = Ein Verfahren zur Positions­bestimmung von (Schall-) Quellen in z.B. Schallfeldern. Mess­vor­richtungen sind z.B. Mikrofon­arrays.

    Im 2. Teil dieses Beitrages beschäftigen wir uns mit den wichtigen Mikrofonarten: den dynamischen Mikrofonen, Kondensatormikrofonen und digitalen Mikrofonen. Wir untersuchen dabei auch, wie die Membranbewegung in ein elektrisches Signal umgewandelt wird.

    Teil 2 ist soeben erschienen: Mikrofontechnologie – die Grundlagen 2/2

    Auf bald …

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