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Die Eigenschaften von Mikrofonen

Das Wandlerprinzip

 Bei der Aufnahme von akustischen Signalen begegnen uns immer wieder drei Wandlertypen. Am häufigsten verwendet werden der elektrodynamsiche Wandler, der elektrostatische Wandler und der piezoelektrische Wandler.

Ein Mikrofon mit elektrodynamischem Wandler ist auch als dynamisches Mikrofon bekannt. Das Kondensatormikrofon ist ein elektrostatischer Wandler. Die etwas speziellen Piezomikrofone, die mit piezoelektrischem Wandler funktionieren, begegnen dir oft als Tonabnehmer an Akustikgitarren oder bei Drumtriggern.

Der Klassiker schlechthin: Das dynamische Mikrofon Shure SM56

Dynamische Mikrofone

(elektrodynamische Wandler)


Dynamische Mikrofone funktionieren nach dem Prinzip der Induktion. Eine Induktion liegt zum Beispiel vor, wenn ein elektrischer Leiter in einem Magnetfeld bewegt wird. Dabei wird eine Spannung induziert und ein entsprechender Stromfluss erzwungen.

Mikrofonkapsel eines Tauschspulen-Mikrofons

Die Mikrofonkapsel besteht aus einem Magneten, einer Membran und einem elektrischen Leiter auf einem Träger. In der praktischen Anwendung gibt es zwei Typen dynamischer Mikrofone. Es gibt das Tauchspulenmikrofon und das Bändchenmikrofon.
Das Tauchspulenmikrofon:

Das Tauchspulenmikrofon hat als elektrischen Leiter eine Spule. Die Schwingspule, wie sie hierbei genannt wird, ist mit der Membran verbunden. Wenn die Membran bewegt wird folgt die Spule der Bewegung. Die Schwingspule bewegt sich im Luftspalt, der sich zwischen dem Polkern und den Polplatten des Magneten befindet. Der Magnet ist kreisförmig mit einem inneren Teil (Polkern) und einem äußeren Ring (obere Polplatten) in die Kapsel eingebaut. Polkern und obere Polplatten sind über die untere Polplatte miteinander verbunden. Dadurch ergibt sich ein Magnet mit zwei polarisierten Enden.

Das magnetische Feld konzentriert sich dabei zwischen den beiden Enden der Magneten, also im Luftspalt. Bewegt sich die Membran taucht die Spule in den Luftspalt und das Magnetfeld ein. Daher kommt auch die Bezeichnung Tauchspulenmikrofon.

Es findet eine Induktion statt. Die Spannung, die dabei in die Spule induziert wird, ist der gewandelte Schall. Je schneller die Membranbewegung ist desto höher ist die Ausgangsspannung. Die Spule besitzt eine Impedanz (frequenzabhängiger Widerstand), die es ermöglicht das Signal direkt an den Enden der Spule abzugreifen und an die Buchse (meist ein XLR Anschluss) im Mikrofongehäuse abzugeben.


 Bändchenmikrofon:

Das Bändchenmikrofon besitzt einen elektrischen Leiter, der als sehr feiner Draht oder elektrisch leitende Schicht direkt auf die Membran aufgebracht ist. Die Membran ist sehr dünn und leicht. Die Membran befindet sich mit dem elektrischen Leiter direkt im magnetischen Feld zweier Stabmagnete.

Wenn die Membran von einem Schallereignis ausgelenkt wird, so folgt der elektrischerLeiter exakt der Bewegung. Die Bewegung findet innerhalb des Magnetfeldes statt. Dadurch wird eine Spannung induziert und ein Stromfluss erzwungen.

Der elektrische Leiter besitzt eine nur geringe Impedanz so dass das Signal nicht direkt abgegriffen werden kann. Aus diesem Grund benötigt ein Bändchenmikrofon einen Übertrager. Bei Bändchenmikrofonen gilt der proportionale Zusammenhang zwischen der Membranbewegung und der Induktionsgröße.

Kondensatormikrofone

... (elektrostatische Wandler)

Elektrostatische Mikrofone funktionieren nach dem Prinzip der Kapazität. Die Funktionsweise beruht auf der Arbeitsweise eines Kondensators. Die Kapsel besteht aus einer Membran und einer Gegenelektrode. Dabei bilden die Membran und die Gegenelektrode die Platten eines Kondensators.

Zwischen den Elektroden befindet sich Luft als Dielektrikum (elektrisch schlecht leitendes Material oder Medium). Die beiden Elektroden haben einen gewissen Abstand d (Distance). Wenn nun ein Schallereignis die Membran auslenkt, verändert sich dadurch der Abstand der Elektroden zueinander. Dadurch wird eine Änderung der Kapazität erzeugt. Die Änderung entspricht dem akustischen Signal.

Damit ein Kondensatormikrofon funktioniert muss die Kapsel polarisiert werden. Das kann entweder beim Herstellungsprozess erfolgen und dauerhaft eingearbeitet werden oder die Kapsel wird mit der Phantomspeisung polarisiert.

AKG C414B Kondensatormikrofon

Bei der dauerhaften Polarisierung handelt es sich um Elektretmikrofone (eine Sonderform des Kondensatormikrofons). Die Versorgungsspannung bei Kondensatormikrofonen versorgt nicht nur die Kapsel mit Spannung sondern auch die Elektronik im Gehäuse. Das gewandelte Signal muss vorverstärkt und die Anschlussimpedanz angepasst werden. Die Anpassung kann mit einem Übertrager oder aber auch elektronisch realisiert werden.

Bei den Elektretmikrofonen wird lediglich eine Spannungsversorgung für die Elektronik benötigt nicht aber für die Polarisierung der Kapsel. Meistens wird hierfür eine Batterie des Typs AA mit 1,5 oder 1,8V verwendet. Für die Stromversorgung kann auch die Phantomspeisung verwendet werden. Die Ausgangsspannung ist direkt abhängig von der Membranbewegung. Je größer die Bewegung der Membran ist, um so größer ist die Ausgangsspannung.

Elektret-Kondensator

Piezomikrofon

... (piezoelektrischer Wandler)


Bei piezoelektrischen Wandlern ist die Membran mit einem piezoelektrischen Element verbunden.

Wenn die Membran von einem Schallereignis ausgelenkt wird, dann wird der Druck auf das Piezoelement übertragen. Das Piezoelement wird leicht verformt und dadurch ergeben sich Spannungsschwankungen, die dem Schallsignal entsprechen. Schall, der sich in Luft ausbreitet, wird nicht gut von diesen Mikrofonen gewandelt. Es entsteht ein sehr hoher Verzerrungsgrad (Klirrfaktor).

Piezoelektrische Wandler zeigen ihre Stärke aber bei der Aufnahme von Körperschall (Schall, der sich in einem anderen Medium als Luft aubreitet, z.B. Holz.

Das Empfängerprinzip

Wie du bereits gelernt hast hat jedes Mikrofon eine Membran, die Bestandteil der Mikrofonkapsel ist.
Es gibt zwei Bauweisen einer Mikrofonkapsel mit einer Membran.

Die erste Bauform ist der Druckempfänger. Die Kapsel ist so gestaltet, dass der Schall aus jeder beliebigen Richtung auf die Vorderseite der Membran treffen kann, nicht aber auf die Rückseite. Schallwellen vor dem Mikrofon treffen direkt auf die Membran und lenken diese entsprechend aus. Schall, der sich seitlich oder hinter dem Mikrofon ausbreitet, beugt sich um die Kapsel und wirkt auf die Vorderseite der Membran ein.

Die zweite Bauform ist der Druckgradientenempfänger. Ein Gradient ist vereinfacht gesagt ein Verlauf oder Unterschied. Die Membran reagiert auf Druckunterschiede. Der Schall kommt auf die Vorderseite und Rückseite der Membran. Die Schwingung wird von zwei Seiten beeinflusst. Es wirken verschieden große entgegengesetzte Kräfte auf die Membran ein und lenken sie aus.



Durch die Bewegung der Membran und einem Signalwandler wird das akustische Signal (Schallwelle) in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dies kann zum Beispiel durch einen elektrodynamischen oder elektrostatischen Vorgang geschehen. Das Empfängerprinzip beschreibt dabei auf welchen Wegen die Schallwellen zur Membran gelangen und wie sie dort wirken. Wandler- und Empfängerprinzip sind Eigenschaften eines Mikrofons, die die Anwendung maßgeblich bestimmen.

Richtcharaktersitik und Bündelung

 Du hast einen Überblick gewonnen welche grundlegenden Mikrofontypen existieren und du hast die allgemeinen Unterschiede kennen gelernt. Jetzt ist es an der Zeit einen näheren Blick auf die vielen Eigenschaften eines Mikrofons zu werfen.


Jedes Mikrofon hat eine bestimmte Richtcharakteristik. Die Richtcharakteristik beschreibt wie Schall, der aus unterschiedlichen Richtungen auf die Kapsel auftrifft, vom Mikrofon aufgenommen wird.


Die Richtcharakteristik verrät uns was passiert wenn Schall seitlich oder von hinten auf ein Mikrofon auftrifft. Ein Mikrofon reagiert auf unterschiedliche Schalleinfallsrichtungen anders. Die Ausgangsspannung ist direkt davon abhängig.


Das Empfängerprinzip und die Bauweise bestimmt welche Richtcharakteristik ein Mikrofon hat. Es gibt insgesamt sechs Richtcharakteristika, die du in der Praxis vorfindest. Die Bezeichnung der Charakteristik ist von der grafischen Darstellung der Mikrofonempfindlichkeit bei unterschiedlichen Schalleinfallsrichtungen abgeleitet und kann sich in der Form einer Kugel, einer breiten Niere, einer Niere, einer Super-Niere, einer Hyper-Niere und einer Acht zeigen.

Die Abhängigkeit von der Schalleinfallsrichtung (Richtcharakteristik) wird in einem Polardiagramm abgebildet. Je weiter der Graph zur Mitte des runden Polardiagramms zeigt um so größer ist die Dämpfung. Je größer die Dämpfung ist um so kleiner ist die Ausgangsspannung.

Das Polardiagramm kann Zweidimensional oder Dreidimensional dargestellt werden. Jedes Mikrofon hat einen On-axxis-Bereich und eine oder mehrere Off-axxis. Ausnahme bildet die Charakteristik Kugel und die Charakteristik Acht. Bei der Kugel gibt es keine Off-axxis und die Acht besitzt genau zwei On-axxis.

Die On-axxis ist die Haupteinsprechrichtung. Dort ist das Mikrofon am empfindlichsten. Schall der auf die On-axxis trifft erzeugt das größte Ausgangssignal. Die Off-axxis beschreibt den Einfallswinkel oder Bereich bei dem das Mikrofon am unempfindlichsten reagiert und den geringsten Ausgangspegel erzeugt.



Ein Druckempfänger hat die Richtcharakteristik Kugel. Bei einer Kugel erzeugt ein Schalleinfall aus allen Richtungen eine ähnlich große Ausgangsspannung. Der Schall wird gleich gut vom Mikrofon aufgenommen ganz gleich ob er von vorn, von oben, von unten oder von der Seite auf die Kapsel auftrifft

Ein Druckgradientenempfänger hat die Richtcharakteristik Acht. Bei einer Acht gibt es zwei Haupteinsprechrichtungen. Eine bei 0º und die zweite bei 180º. Die Acht hat zwei Off-axxis bei ±90º. Schall der seitlich auf die Kapsel auftrifft erzeugt somit die geringste Ausgangsspannung.

Alle weiteren genannten Richtcharakteristika können durch bauliche Veränderungen eines Druckgradientenempfängers erzeugt werden. Dazu wird der zeitliche Verlauf der Schallwirkung auf die Vorderseite und Rückseite der Membran verändert. Hinter der Membran werden Hindernisse dem Schall entgegen gesetzt. Da der Schall nun eine etwas längere Strecke zurücklegen muss bis er zur Membran gelangt vergeht etwas mehr Zeit. Das Verhältnis zwischen der Kraft die die Membran von vorne und hinten aus lenkt wird verändert.  Die Off-axxis können bei der Anwendung gezielt auf Störgeräusche ausgerichtet werden, um diese mit möglichst geringen Pegel aufzuzeichnen und somit im Verhältnis ein großes Nutzsignal zu erhalten. Du kannst aus sechs Richtercharakteristika die passende für deine Aufnahmesituation wählen und ein möglichst gutes Ergebnis erzielen.

Im On-axxis Bereich kann der Schall aus einem begrenzten Bereich unterschiedlich auf die Membran treffen ohne dass große Änderungen der Ausgangsspannung erzeugt werden. Die Änderungen unterscheiden sich maximal bis zu 3dB.

Eine Tabelle mit den unterschiedlichen Richtcharakteristika und den sich ergebenden On- und Off-axxis helfen die Übersicht zu behalten.



Richtcharakteristik On-axxis / On-axxis Bereich Of-axxis
Kugel 0º / 0º bis ± 180º n/a
Breite Niere 0º / 0º bis ± 83º (± 100º) n/a
Niere 0º / 0º bis ± 65,5º 180º
Super Niere 0º / 0º bis ± 57,5º ca. ± 135º
Hyper Niere 0º / 0º bis ± 52,4º ca. ± 120º
Acht 0º 180º / 0º bis ± 45º ± 90º



Folgende Flash-Animation zeigt die Auswirkung der verschiedenen Charakteristiken auf den Sound. Hierfür wurden Aufnahmen mittels Drehteller erstellt.

Hier wird nicht nur der Pegelunterschied sondern auch die starke Frequenzabhängigkeit der Richtcharakteristiken deutlich. Die Änderungen des Frequenzgangs beim Verändern des Einfallswinkels wird gerade bei Hyperniere und Keule deutlich, es wird ein „Phasing“ hörbar. 

Die Animation ist aufgrund des Audiomaterials (rosa Rauschen) mit knapp 20 MB relativ groß. Es kann also ein Weilchen dauern, bis die Animation geladen ist - aber es lohnt sich.

 



Credits:

"Konzeption und Gestaltung des vorlesungsbegleitenden Praktikums im Fach Tonstudiotechnik (Studiengang Medientechnik) an der Fachhochschule Düsseldorf"
 
Martin Schucker (Diplom Ton- und Bildtechnik)
Jan Link (Diplom Ton- und Bildtechnik)
Prof. Dr.-Ing. Dieter Leckschat