Mikrofonie

Wandlerarten
Mikrofone
Charakteristika von Mikrofonen
Sonderformen
Mikrofonpositionierung
Stereofonie
Aufnahmeverfahren
Schall in Räumen


Wandlerarten

Elektrostatische Mikrofone, Kondensatormikrofone

Sie werden meist im Studio verwandt, haben einen linearen Frequenzgang, eine hohe Empfindlichkeit und ein gutes Impulsverhalten. Für den Live-Betrieb sind sie nicht robust genug.

Elektrodynamische Mikrofone, Tauchspulen- und Bändchenmikrofone

Tauchspulenmikrofone sind im Gegensatz zu den sehr sensiblen Bändchenmikrofonen gut für den Live-Betrieb geeignet. Sie sind robust, gerichtet (also rückkopplungsarm), können hohe Schalldrücke ab.

Piezoelektrische Mikrofone, Keramik und Kristall

Man benutzt diese Form von Mikrofonen häufig als Tonabnehmer für Gitarren. Im Frequenzgang ab 8 kHz sind sie allerdings miserabel.
Widerstandsmikrofone, Kohlemikrofone
Heutzutage kaum noch genutzte Technik. Man findet sie aufgrund ihres miserablen Frequenzgangs von 3-7kHz nur noch in Telefonen. Es ist sehr schwierig diesen „Telefoneffekt“ mit Hilfe von Effekten nachzubilden, man sollte dafür tatsächlich ein Telefon zur Hilfe nehmen.


Wandler-Anwendungsmöglichkeiten

Grenzflächenmikrofone

Grenzflächenmikrofone oder auch Pressure Zone Microphones sind in flache Scheiben eingebaut, die man meist auf den Boden legt. Sie nehmen die Reflektionen des Raumes wahr.
Interferenzempfänger (shotgun)
Die Interferenzempfänger sind Richtmikrofone, sie nehmen gerichtete Schallwellen auf, man verwendet sie für Außenaufnahmen.

Lavaliermikrofone

Meist kleine Mikrofone, wie sie z.B. in Talkshows verwendet werden. Sie sind im allgemeinen drahtlos, haben wenig Höhen, viele untere Mitten und bei ca. 800 Hz eine starke Überhöhung.

Mikrofonarten

Kondensatormikrofon

Kondensatormikrofone haben eine sehr natürliche und transparente Wiedergabequalität im gesamten Frequenzspektrum. Man nennt sie nach ihrem Wandlerprinzip dielektrisches oder elektrostatisches Mikrofon. Die Membran dieses Wandlers ist eine elektrisch leitende, 1-10µm dünne Folie, die als Elektrode von der Gegenelektrode im Abstand von 5- 50 µm angebracht ist. Schalldruck verursacht Schwingungen der Membran wodurch sich die Kapazität zwischen den Elektroden ändert.
Die Mikrofonkapsel wird über einen großen Widerstand an eine konstante Gleichspannung von 40-200 V gelegt. Ändert sich die Kapazität der Mikrofonkapsel, wird am Widerstand eine Spannungsänderung im Rhythmus der Schallwellen erzeugt. Diese elektrische Schwingung kann jedoch nur über einen Verstärker im Mikrofongehäuse an das Mikrofonkabel weitergeleitet werden, da der Ausgangswiderstand der Mikrofonkapsel für den Anschluß an eine Mikrofonleitung zu hoch ist. Der Verstärker wandelt die Impedanz auf einen üblichen Ausgangswiderstand von 200 ½. In den meisten Studiomikrofonen findet man eine NF-Schaltung, es gibt jedoch auch Kondensatormikrofone mir HF-Schaltung. Diese Schaltung findet man bei der MKH-Serie von Sennheiser. Die Mikrofone zeichnen sich durch durch extrem geringes Rauschen und ihre neutrale Klangcharakteristik aus. Sie wurden speziell für Klassik-Produktionen entwickelt.

Die Gegenelektrode und der Vorverstärker benötigen eine Versorgungsspannung. Bei symmetrisch zugeführten Mikrofonleitungen wird das Mikrofon über diese mit einer Gleichspannung versorgt. Sie wird in die Leitung eingekoppelt, kann durch die symmetrisch eingebauten Ein- und Ausgänge von Mikrofon und Mischpult diesen allerdings nicht schaden. Die Phantomspannung hat 48 V, hierbei wird die Gleichspannung zur Versorgung des Mikrofons über zwei Widerstände von 6,8 ½ auf die beiden Adern der Mikrofonleitung geschaltet und wieder
entnommen. Zwischen den beiden Adern besteht also gleichspannungsmäßig keine Potentialdifferenz.

Vorteile von Kondensatormikrofonen
– Linearer Frequenzgang
– Gutes Impulsverhalten
– Sehr natürlicher neutraler Klang
– hohe Empfindlichkeit

Nachteile
– Teuer
– benötigen Phantompower
– Grenzschalldruck relativ gering bei 120/ 130 dB SPL
(häufig Umschalter von -10 dB, um Verzerrungen zu vermeiden)
– ziemlich empfindlich

Elektret Kondensatormikrofone
Diese spezielle Form der Kondensatormikrofone hat auf der Gegenelektrode (Back-Plate) einen Kunststoff aufgebracht, der die Ladung behält. Man benötigt also keine Polarisationsspannung, aber trotzdem noch eine Spannungsversorgung für den Verstärker.

Tauchspulenmikrofone

An der Membran der Tauchspulenmikrofone ist eine Schwingspule befestigt, die in einem ringförmigen Spalt eines Magneten gelagert ist. Regen Schallwellen die Membran zum Schwingen an, so wird in der Spule eine Spannung induziert, die direkt abgegriffen werden kann, da die Nennimpedanz bei 200 ½ liegt.
Tauchspulenmikrofone haben ein recht schlechtes Impulsverhalten, da die Spule erst mal in Bewegung versetzt werden muß. Ihr Frequenzgang ist ebenfalls nicht der beste, sie werden von tieffrequenten Schallwellen anders angeregt als von hochfrequenten. Bei tiefen Frequenzen bewegt sich der Magnet nur langsam, bei hohen ist ab
ca. 16 kHz Schluß, da das System zu träge wird. Die Mikrofone klingen häufig muffig.
Störmagnetfelder führen zu Brummen, bessere Mikrofone haben deswegen eine Kompensationsspule phasengedreht zur Mikrospule, die nur Störmagnetfelder aufnimmt.
Vorteile von Tauchspulenmikrofonen
– robust
– preiswert
– benötigen keine Versorgungsspannung
– haben einen höheren Grenzschalldruck

Bändchenmikrofone

Das Bändchen, also die Membran dieser Mikrofonart ist ein Aluminiumstreifen von 2-4 mm Breite und mehreren Zentimetern Länge. Es ist zwischen den Polen eines Dauermagneten eingespannt und hat einen Schwingbereich von nur wenigen µm. Sein Eigenwiderstand beträgt weniger als 1 ½, ihm muß also ein Überträger nachgeschaltet werden, um auf den Ausgangswiderstand von 200 ½ zu kommen.
Bändchenmikrofone haben eine Empfindlichkeit von nur 1 mV/Pa und eine geringere Spannung als Tauchspulen-mikrofone, da sie praktisch nur eine „Windung“ haben.
Sie zeichnen sich durch einen sehr linearen Frequenzgang aus und haben durch die leichte Membran ein gutes Impulsverhalten. Sie haben eine 8er Richtcharakteristik und einen sehr warmen Klang. Leider haben sie durch ihre Impulstreue im Mikrometer-Bereich einen höheren Rauschanteil als Kondensatormikrofone. Außerdem können sie keine hohen Schalldrücke vertragen, sind popplautempfindlich und wer eins fallenläßt…

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Richtcharakteristiken

Mikrofone besitzen eine Richtwirkung, daß heißt sie können für Schallwellen aus unterschiedlichen Richtungen unterschiedlich empfindlich sein. Je nach der Richtcharakteristik eines Mikrofons, kann man unerwünschten Schall schon durch die Aufstellung und Ausrichtung des Mikrofons ausgrenzen. Die Richtwirkung der Mikrofone wird bedingt durch ihre Bauweise, kann aber bei bestimmten Mikrofontypen umgeschaltet werden. Grundsätzlich lassen sich zwei verschiedene Bauarten unterscheiden: Druckempfänger und Druckgradientenempfänger.

Druckempfänger

Druckempfänger haben grundsätzlich eine Kugelcharakteristik. Bei ihnen sitzt die Membran vor einer schall- und luftdichten Kapsel, der Schall kann also nur von einer Seite auf die Membran einwirken. Es ist egal aus welcher Richtung die Schallwellen kommen, da für dieses Konstruktionsprinzip nur der Schalldruck entscheidend ist. Der Druckempfänger besitzt also praktisch keine Richtwirkung, wodurch die kugelförmige Richtcharakteristik entsteht. Dieses ist jedoch relativ zu betrachten, da Schallwellen mit hoher Frequenz nicht mehr um das Mikrofon herumgebeugt werden. Deshalb sind Druckempfänger-Mikrofone im allgemeinen sehr klein gebaut und haben auch eine kleine Membran. Denn diese reflektiert hohe Frequenzen bei einem Einfallswinkel von 0O. Dadurch wird ein Druckstau hervorgerufen und der Höhenbereich kann bis zu 10 dB angehoben werden.

Druckempfänger sind gut geeignet für Raumklangaufnahmen und durch ihre steife Membranaufhängung wenig empfindlich gegen Wind- und Körperschall. Sie haben einer sehr gute Übertragung, eine gerade Frequenzganglinie
bis runter zum Baßbereich.

Druckgradientenempfänger

Ein Druckgradientenempfänger kann verschiedene Richtcharakteristiken haben: Niere, Superniere, Hyperniere, Keule und Acht. Seine Membran ist von beiden Seiten dem Schalldruck ausgesetzt und nicht wie der Druckempfänger von einer Seite geschützt. Damit wird die Membran durch den Druckunterschied von vorne und hinten ausgelenkt. Diese Schalldruckdifferenz heißt Druckgradient.

Achterrichtcharakteristik

Die Acht ist die frequenzabhängigste Richtcharakteristik, weil sich der Schall nicht um die Kapsel herumbeugen muß. Die maximale Druckdifferenz wird bei einer Schalleinfallsrichtung von 0O und 180O erreicht. Bei 90O und 270O entsteht gar kein Druckunterschied und folgt kein Ausgangssignal.
Nierenrichtcharakteristik
Der größte Teil der Druckgradientenmikrofone hat eine Nierenrichtcharakteristik. Hierbei tritt bei einer Schalleinfallsrichtung von 180O gar kein Druckunterschied an der Membran ein. Dies wird durch akustische Laufzeitglieder innerhalb des Mikrofons erreicht. Dafür haben alle gerichteten Mikrofone seitliche Schalleinlaßöffnungen.
Die Richtwirkung von Nierenmikrofonen läßt bei tiefen Frequenzen nach, es erhält eher eine Kugelcharakteristik.

Nahbesprechungseffekt

Dieser Effekt tritt nur bei Druckgradientenmikrofonen auf. Verringert sich der Abstand der Schallquelle zum Mikrofon auf weniger als 1 m, werden die tiefen Frequenzen angehoben, da der Schalldruck proportional mit dem Abstand zunimmt. Dadurch klingt der Sänger oder das Instrument druckvoller, denn mit doppeltem Schalldruck steigt die Lautheit um 6 dB.

Variable Richtcharakteristiken

Außer den Mikrofonen mit festgelegten Richtcharakteristiken gibt es noch welche, bei denen sich die Richtcharakteri-stik verändern läßt. Das kann auf zwei Arten, je nach Mikrofon, erreicht werden. Zum einen gibt es Mikrofone, bei denen man einfach die Kapsel austauschen kann. Dies sind meist Kleinmembran-Kondenser, wie z.B. die Blue Line von AKG, SE 300 B & CK 91 (Niere) oder CK 92 (Kugel), der Schoeps CMC & MK 2 (Kugel) oder MK 4 (Niere).

Die zweite Möglichkeit sind Großmembran-Kondensatoren mit umschaltbarer Richtcharakteristik. Sie sind schnell umschaltbar, sehr empfindlich und haben generell einen wärmeren Klang als Kleinmembran-Kondensatoren, auch wenn diese allgemein den Großmembran-Kondensern überlegen sind.

Die unterschiedlichen Richtcharakteristiken werden bei den umschaltbaren Mikrofonen immer aus der Kombination zweier sich gegenüberliegender Nieren gebildet. Bei diesen Doppel-Membran-Mikrofonen liegen sich zwei Membranen an einer gemeinsamen Gegenelektrode gegenüber. Die nach hinten gerichtete Kapsel kann mit einer veränderbaren Kapselvorspannung versorgt werden. Liegt keine Vorspannung an, ist diese Kapsel nicht aktiviert und das Mikrofon behält eine normale Nierenrichtcharakteristik. Da sich die Ausgangssignale beider Kapsel addieren, ergeben sich je nach Vorspannung der rückseitigen Kapsel folgende Richtcharakteristiken:
Bei 100% addieren sich die Kapseln zu einer Kugel, bei 50% zu einer abgeflachten Kugel, bei -50% entsteht eine Superniere und bei -100% erfolgt eine gegenphasige Addition und aus den beiden Nieren wird eine Achterrichtcharakteristik.Spezifikationen von Mikrofonen.

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Empfängerprinzip

Das Empfängerprinzip beschreibt die Art und Weise, wie ein Mikrofon akustische Schwingungen in mechanische (Membran-) Schwingungen wandelt, also ob es sich um einen Druckempfänger oder einen Druckgradientenempfänger handelt.

Wandlerprinzip Transducer Type/ Cartridge Type

Mit dem Wandlerprinzip wird ausgesagt, auf welche Art und Weise ein Mikrofon die mechanischen (Membran-) Schwingungen in elektrische Impulse umwandelt. Die wichtigsten Wandlerprinzipien sind das elektrostatische und das elektrodynamische Wandlerprinzip.

Richtcharakteristik Polar Pattern

Die Richtcharakteristik beschreibt die Abhängigkeit des übertragenen Mikrofonausgangspegels von der Schalleinfalls-richtung. Diese Abhängigkeit wird in Richtdiagrammen dargestellt.
Es gibt folgende Richtcharakteristiken: Nierenrichtcharakteristik, Kugelrichrcharakteristik,
Keulenrichcharakteristik (Ultradirectional)
Interferenzempfänger, Richtmikrofon. Bei tiefen Frequenzen kaum noch Richtmikrofon.

Frequenzgang Frequency Response

Der Frequenzgang zeigt den Verlauf des Übertragungsfaktors eines Mikrofons in Abhängigkeit von der Frequenz.
Hierfür gibt es zwei Darstellungsweisen: a) den Freifeldfrequenzgang, der innerhalb des Hallradius in dem der Direkt-schallanteil überwiegt gemessen wird und b) den Diffusfeldfrequenzgang, der außerhalb des Hallradius gemessen wird, wo die Diffusion überwiegt.
Es gibt Freifeldentzerrte und Diffusfeldentzerrte Druckempfänger.

Stromversorgung

Sagt aus, ob ein Mikrofon externe oder interne Stromversorgung benötigt (Phantomspeisung, Tonaderspeisung, Batterie).
Übertragungsfaktor Empfindlichkeit, Sensitivity
Gibt die Größe der Spannung an, die von einem Mikrofon bezogen auf den einwirkenden Schalldruck abgegeben wird. Die Angaben beziehen sich auf einen Sinuston von 1 kHz, die Maßeinheit ist mV/Pa.
Tauchspulenmikrofone: 2-3 mV/Pa
Bändchenmikrofone: 1 mV/ Pa
Kondensatormikrofone: 8-30 mV/Pa
Elektretkondensatoren: 5-15 mV/Pa

F.L.Ü. Feldleerlaufübertragungsfaktor

Die Ausgangsspannung wird als Leerlaufspannung bei einem sehr hochohmigen Abschlußwiderstand gemessen. Man mißt hierbei die Spannung die maximal übertragen wird.

F.B.Ü. Feldbetriebsübertragungsfaktor

Hier mißt man die Ausgangsspannung bei einem Nennabschlußwiderstand. Über dem Meßwiderstand fällt eine geringere Spannung ab (Spannungsteiler). Einheit mV/Pa.

Geräuschspannung Noise Level, Rausch-, Fremdspannung
Die Geräuschspannung gibt die durch das Eigenrauschen des Mikrofons produzierte Störspannung an. Ein Mikrofon gibt einen Rauschspannungspegel ab, wenn es kein Nutzsignal empfängt. Gemessen wird, ohne daß Schalldruck auf des Mikrofon einwirkt. Einheit dBV.

Geräuschspannungsabstand

Die Differenz zwischen dem Pegel, den das Mikrofon bei einem Schalldruck von 1Pa/ 1kHz abgibt und seinem Geräuschpegel (1 Pa = 94 dB SPL). Der Spannungswert wird umgerechnet in Lautstärkewert. Nach der amerikanischen Meßmethode CCIR fällt der Wert immer größer aus.
Bsp. U 87: Kugel: 15 dBA, 26 CCIR
Geräuschpegelabstand Signal to Noise Ratio
Der Geräuschpegelabstand wird errechnet aus 94dB abzüglich des Ersatzgeräuschpegels.

Ersatzlautstärke Ersatzgeräuschpegel, Equivalent Noise Level

Die Ersatzlautstärke gibt an, welchem Schalldruckpegel das von diesem Mikrofon produzierte Eigenrauschen entspricht.
Nennabschlußimpedanz

Impedance

Die Nennabschlußimpedanz gibt die Größe des Widerstandes an, für den das Mikrofon ausgelegt ist. Dies ist im Normalfall 200 - 1000 ½. Der Abschlußwiderstand muß ca. 5 mal größer sein, als der Innenwiderstand.

Grenzschalldruck Maximum Sound Pressure Level

Der Grenzschalldruck ist derjenige Schalldruckpegel, ab dem – gemessen bei 1 kHz – mit einem Klirrfaktor größer
als 0,5% (1%) zu rechnen ist.
Bei Kondensatormikrofonen liegt der Grenzschalldruck allgemein bei 120 - 130 dB, bei Tauchspulenmikrofonen
dagegen bei 150 - 160 dB.

Bündelungsgrad

Der Bündelungsgrad besagt um wieviel Mal größer die aufgenommene Leistung des Raumschall wäre, wenn das Mikrofon bei gleicher Empfindlichkeit eine Kugelrichtcharakteristik hätte, also wie stark es gerichtet ist.
Kugel: 1
Niere, Acht: 1,7
Superniere: 1,9
Hyperniere: 2,0
Keule: 2 - 5 (frequenzabhängig)

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Sonderformen von Mikrofonen

Grenzflächenmikrofone

PZMs, Pressure Zone Microphones
Grenzflächenmikrofone sind meistens Druckempfänger mit Halbkugelcharakteristik. Sie nutzen das akustische Prinzip der Grenzfläche, bei dem der Schall, der sich in Richtung der Grenzfläche ausbreitet am Reflektionspunkt seine Richtung ändert. Stellt man Mikrofone im „normalen“ Sinne auf, besteht häufig die Gefahr von Kammfiltereffekten, da sich das Signal des direkten Schalls und das der Reflektionen überlagern. Das beeinträchtigt natürlich den Sound, es klingt hohl und dröhnend. Will man einen linearen Frequenzverlauf erreichen, muß man also die Bodenreflektionen ausschalten. Dies kann schon durch einen verringerten Abstand der Schallquelle zum Mikrofon erreicht werden. Dieses ist häufig, z.B. auf der Bühne aber nicht machbar. Wenn man nun das Mikrofon auf den Boden legt, liegt es praktisch am Ort der Reflektionen, die damit „wegfallen“. Dadurch vergrößert sich auch der Schalldruck und dementsprechend erhält man 6 dB Empfindlichkeitsgewinn am Mikrofon.
Durch den extrem verringerten Kammfiltereffekt sind die Grenzflächenmikrofone hervorragend für Raumklang-
aufnahmen geeignet. Es besteht eine Phasengleichheit zwischen direktem und reflektierten Signal. Dank ihrer flachen Bauweise lassen sie sich unauffällig plazieren, sind also ideal für Theaterbühnen und Konferenztische.
Es gibt verschiedene Bauweisen von PZMs z.B.

Crown PZM 30. Nur reflektierter Schall wird aufgenommen.

Beyerdynamik MPC 50, Neumann „Dreieck“ GFM 132, Sennheiser MKE 212
Außer den Druckempfängern gibt es auch Grenzflächenmikrofone die als Druckgradientenempfänger ausgelegt sind. Sie heißen PCC, Phase Coherent Cardioid und haben meist halbe Nierenrichtcharakteristik. Beispiel hierfür:
AKG C 547 BL.

Lavaliermikrofone

Lavaliermikrofone sind kleine Ansteckmikrofone, wie man sie häufig bei Talkshows sieht. Sie haben eine Absenkung im Bereich von 800 Hz, da sie im Brustbereich getragen werden und somit stark den tiefen Resonanzen der Stimme ausgesetzt sind. Diese Mikrofone, wie z.B. das MCE 5 von Beyerdynamik kommen jedoch zusehends aus der Mode.

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