De analoge geluidsketen Ingangsomvormers Microfoons

3.
De analoge geluidsketen
In een geluidsketen hebben we naast bron en ontvanger de volgende
componenten :
• ingangsomvormer : zet mechanische energie om in elektrische vb.
microfoon, pick-up cel
• signaalprocessor : elk toestel dat ingrijpt op het elektrisch signaal
vb. voorversterker, toonregeling, processor
• transmitter : benaming voor transportmiddelen van geluidsignalen
vb. kabel, ook CAD LP’s, tapes enz…
• Uitgangsomvormer : zet elektrische stroom om in waarneembare energie
vb. luidspreker of meetinstrument
3.0.
3.1.
Ingangsomvormers
Microfoons
Een microfoon is een elektro-akoestisch toestel dat geluidsdrukveranderingen
omzet in elektrische golven.
We onderscheiden soorten :
dynamische, condensator, electret,band, piëzo-elektrisch en
koolstofmicrofoons
Verder wordt een onderscheidt gemaakt naar gelang het captatie gedrag :
omnidirectioneel, cardioïde, achtvormig, half-bolvormige, enz...
1
3.1.a
Dynamische microfoons
Gemaakt uit een membraan, met aan de onderzijde een spoel, dat rond
een magneet bevestigd is. Het membraan kan vrij bewegen in de
luchtspleet.
Een geluidsgolf zal volgens amplitude en frequentie het membraan in
beweging brengen, waardoor de spoel een elektrische stroom opgewekt
wordt.
3.1.a
Dynamische microfoons ( 2 )
Deze microfoons zijn zeer stevig en betrouwbaar maar ook vrij ongevoelig
voor temperatuurschommelingen en vochtigheid.
Aangezien deze microfoons geen externe voeding nodig hebben zijn zij
zeer handig in gebruik.
Nadeel : de lage uitgangsspanning impliceert minder goede signaal/ruis
verhouding.
2
3.1.a.1
Bandmicrofoons
Bij bandmicrofoons gebruikt men een gevouwen metalen strookje
opgehangen tussen de 2 polen van een U-vormige magneet.
Bij drukveranderingen zal het bandje beginnen trillen en aldus via de magneet
spanningen opwekken.
Het membraan heeft doorgaans een zeer lage impedantie ( 0,1 - 0,3 ? )
zodat het signaal langs een transformator aangepast moet worden.
3.1.a.1
Bandmicrofoons ( 2 )
Deze microfoons hebben zeer goede sonische kwaliteiten en dit omdat
de eigen resonantie van de band zeer laag ligt
Aangezien deze microfoons geen externe voeding nodig hebben zijn zij
zeer handig in gebruik.
Nadeel : minder stevig dan de gewone dynamische microfoon.
3
3.1.b
Elektrostatische of condensatormicrofoons
Deze microfoons werken op het principe van de condensator. 2 geleiders,
gescheiden door een isolator, wekken via een polarisatiespanning een
elektrostatisch veld op. Wanneer door drukveranderingen de geleiders
elkaar naderen, zal het elektrostatisch veld sterker worden.
De C. microfoons bestaan uit een vaste bodemplaat waarboven een geïsoleerd membraan gespannen wordt. Tussen beide geleiders zit een dunne
laag lucht ( isolator ).
3.1.b
Elektrostatische of condensatormicrofoons (2)
Drukveranderingen brengen het membraan aan het trillen, zodat de afstand
tussen beide geleiders varieert.
Aangezien de condensator meestal zeer hoog-ohmig, en de opgewekte
spanning zeer laag is, wordt het signaal door een voorversterker aangepast
tot een bruikbaar signaal.
C. microfonen hebben door uiterst licht diafragma ( zonder massa van een
spoel ) de mogelijkheid om de minste drukgolf te volgen. Dit komt de
sonische kwaliteit van de microfoon ten goede.
Ze zijn echter wel vrij fragiel in gebruik, vrij gevoelig voor vocht en
temperatuur verschillen, en hebben steeds een polarisatie ( Phantom ) spanning nodig.
4
3.1.c
Elektret - condensator microfoon
De electret - C. microfoon werkt volgens hetzelfde principe als de C.
microfoon, alleen de polarisatie komt niet tot stand door een polarisatie
spanning maar door een electret folie. Deze folie werd bij fabricage
voorgepolariseerd zodat ze die spanning permanent behoudt.
3.1.c
Electret - condensator microfoon ( 2 )
Het membraan ( polyacryl, polycarbonaat of fluorhoudende polymeren )
wordt geïsoleerd op de bodemplaat aangebracht.
Voordelen :
• de relatief lage kostprijs
• een kleine batterij volstaat voor de voeding van de voorversterker
• de geringe afmetingen
Nadelen :
• het electretmembraan is minder sterk en kan aldus niet zo stevig
op de grondplaat gespannen worden, zodat de resonantiefrequentie lager
zal liggen.
• De “ permanente “ polarisatie verzwakt na verloop van tijd, men spreekt
over een halvering per decennium. Wanneer een electret microfoon aan
hoge temperaturen bloot gesteld wordt kan het elektrisch veld nog
veel vlugger verdwijnen.
5
3.1.c
Electret - condensator microfoon ( 3 )
De Back Plate Electret microfoon is een afgeleide van de Electret microfoon.
Hier wordt niet het zwakke membraan maar de bodemplaat ( Back Plate )
voorgepolariseerd. Dit heeft als gevolg dat er een zeer goede frequentie
curve bereikt wordt. Ook het halveren in tijd van de permanentie polarisatie
bij de electret microfoon wordt teniet gedaan.
Gezien hun geringe afmetingen wordt het principe van de Electret microfoon
zeer veel gebruikt voor het maken van dasspeldmicrofonen.
3.1.d
Contactstrip microfoon
De contactstrip microfoon is een derde afgeleide van de Electret microfoon.
2 flexibele, voorgepolariseerde, geleidende folies in de vorm van een
langwerpige strip worden door een isolerende en samendrukbare laag
gescheiden.
Deze microfoons hebben een lage gevoeligheid en kunnen alleen gebruikt
worden om rechtstreeks geproduceerde resonanties van een trillend
voorwerp op te vangen.
6
3.1.e
De piëzo - elektrische microfoon
De piëzo microfoon maakt gebruik van de eigenschap van sommige
kristallen die een kleine spanning afgaven bij buiging.
Een membraan wordt via een staafje aan het uiteinde van het kristal
bevestigd. Als het membraan drukverschillen opvangt wordt het
kristal aan het trillen gebracht en aldus een zeer kleine spanning opgewekt.
Deze microfonen worden in de praktijk enkel gebruikt in de vorm van
contactelementen die rechtstreeks in een instrument bevestigd zijn.
3.1.f
De drukzone microfoon ( PZM )
Deze microfoon maakt gebruik van een electret element dat op een zeer
korte afstand van een reflecterende plaat bevestigd is.
Zowel het directe als het gereflecteerde geluid wordt opgevangen. Om
interferenties tussen deze beide te vermijden moet de afstand tussen
element en reflecterende plaat kleiner zijn dan de golflengte va n de hoogst
hoorbare frequenties.
7
3.1.f
De drukzone microfoon ( 2 )
Wanneer we de energie van het directe en gereflecteerde geluid optellen
krijgen we in principe een winst van 6 dB SPL.
De grootte van het reflecterend vlak ( waarom ? ) is van uiterst belang
voor het reproduceren van de reflecterende golven.
Verder moet het element ongevoelig zijn voor elke vibratie van het
reflecterende vlak, gezien er anders ernstige kleuring zou ontstaan.
3.1.g
Overige microfoontypes
Koolstof microfoon : werkt volgens het principe dat het samendrukken van
koolstof een weerstandsverandering teweeg brengt.
Deze microfoons hebben een zeer slechte frequentiecurve en produceren
veel ruis en vervorming.
Magnetische microfoon : een diafragma is in het midden verbonden met
een staafje dat op zijn beurt verbonden is met een plaatje. Het plaatje trilt
proportioneel met de geluidsdruk tussen de 2 polen van een magneet.
Dit verandert de flux van de magneet, hetgeen door een spoeltje
in spanningsverschillen omgezet wordt.
8
3.2
3.2.a
Richtingsgevoeligheid van de microfoon
Omnidirectioneel
Omnidirectioneel : het membraan is evenredig en gelijkmatig gevoelig
voor drukgolven uit alle richtingen.
Aangezien elke drukverandering, ongeacht de richting, enkel en alleen
de voorzijde van de microfoon aanslaat, is de richtingsgevoeligheid
constant.
3.2.a
Omnidirectioneel ( 2 )
Bij het meten en in beeld brengen van de spanning volgens de hoek
tussen bron en microfoon krijgen we het polair diagram.
Dit is samen met de frequentiecurve en de gevoeligheid de
‘identiteitskaart’ van een microfoon.
9
3.2.b
Bidirectionele microfoons
Bidirectionele microfoons hebben een membraan dat aan beide zijden
blootgesteld is aan drukgolven. Geluidsgolven die onder een hoek van
90° invallen zullen geen trilling veroorzaken.
3.2.b
Bidirectionele microfoons ( 2 )
Signalen die onder een hoek van 0° en 180° op het membraan invallen
zullen een signaal met tegengestelde polariteit hebben.
Daarom wordt de voor en achterkant van een bidirectionele microfoon
steeds weergegeven.
10
3.2.c
Directionele of cardioïde microfoon
Bij een directionele microfoon wordt de karakteristiek bepaald door het
gedoseerd toelaten van drukverschillen tussen voorzijde en achterzijde
van het membraan.
De geluiden afkomstig vanuit de rugzijde zullen naast de frontale weg
ook via een ‘akoestische poort’ moeten passeren, waardoor de weg
naar de achterzijde van het membraan vergroot wordt.
3.2.c
Directionele of cardioïde microfoon ( 2 )
Gezien de typische hartvorm van het polair diagram spreken we over
cardioïde microfoons ( ook nierkarakteristiek ).
11
3.2.c
Directionele of cardioïde microfoon ( 3 )
De zijwaartse gevoeligheid is redelijk groot door het feit dat zijdelings
invallende golven voor- en achterzijde van het membraan bereiken
via wegen van verschillende lengte.
De directionaliteit is niet even groot voor alle frequenties. Dit is te wijten
aan de akoestische vertraging door de verschillende lengtes van de
gangen.
3.2.d
Supercardioïde en hypercardioïde microfoons
Wanneer de zijwaartse ‘poorten’ dichter bij het membraan gebracht worden
zullen de zijdelingse geluiden minder sterk, en de achterwaartse iets
harder doordringen.
Hoe gerichter de frontale lob, hoe groter de gevoeligheid van het dorsaal
geluid.
12
3.2.d Supercardioïde en hypercardioïde microfoons (2)
Hier geldt net zoals de cardioïde microfoon dat de karakteristiek verandert
naargelang de frequentie.
3.2.e
De ‘shotgun’ of interferentie microfoon
In een lange buis, met op geregelde afstanden openingen, wordt aan het
eind een microfooncapsule geplaatst. Geluid dat frontaal invalt zal
ongehinderd en zelfs versterkt bij de capsule aankomen. Zijdelingse
geluidsgolven zullen in fase verschoven worden en op bepaalde golflengten
elkaar opheffen.
13
3.2.e
De ‘shotgun’ of interferentie microfoon ( 2 )
Het richteffect hangt af van :
• lengte van de buis
• spatiëring van de gleuven
Voor hoge frequenties is het relatief makkelijk voor een goede
richtingskarakteristiek te maken, voor lage frequenties is dat een stuk
moeilijker.
3.2.f
Microfoons met variabele richtkarakteristiek
Door 2 cardioïde capsules in één behuizing onder te brengen kan men
andere karakteristieken verkrijgen. In onderstaande tekening zien we
hoe een combinatie van een omni- en een achtvorm karakteristiek
een directionele microfoon maken.
14
3.2.f Microfoons met variabele richtkarakteristiek (2)
3.2.f Microfoons met variabele richtkarakteristiek (3)
•
•
•
•
1 enkel diafragma 1
2 diafragma 1 + diafragma 2
3 diafragma 1 - diafragma 2
4 diafragma 1 - diafragma 2 via de weerstand die de polarisatiespanning
verlaagd.
15
3.2.f Microfoons met variabele richtkarakteristiek (4)
Ook op mechanische wijze kunnen aanpassingen van de richtings
karakteristiek gemaakt worden. Dit gebeurt door het openen of
sluiten van glijdende ‘afsluitplaatjes’ aan de zij- of achterkant van de
microfoon.
3.2.g
De stereomicrofoon
Om een zo groot mogelijke fase-coherentie te verkrijgen worden 2 capsules
boven elkaar in een onderling regelbare hoek gemonteerd.
16
3.2.h
De ‘dummy head ’ microfoon
Om de realiteit zo getrouw mogelijk weer te geven werd de dummy head
ontworpen. Het betreft een kunststof hoofd met 2 hoogwaardige omnidirec tionele microfoons in de oren. Gezien zowel de rechtstreekse als gereflec eerde geluiden door de microfoons gecapteerd worden, krijgt men een zeer
accuraat ruimtelijk gevoel.
Het resultaat is echter bijna enkel met een stereo hoofdtelefoon te beluisteren.
3.2.i
De Soundfield microfoon
Bij Soundfield maakt men gebruik van 4 condensator capsules, die in 3 zijdige
piramide met grondvlak gemonteerd worden.
Deze toepassing geeft de mogelijkheid om zowel in horizontale als verticale
vlakken aanpassingen te doen. Bovendien kan iedere capsule afzonderlijk
opgenomen worden om later in de remix via de afstandsbediening alle
mogelijke veranderingen te maken.
17
3.2.j
Symmetrische lijnen
Gezien het signaal van een microfoon zeer laag is ( +/- -60 dB ) is het evident
dat de verbindingen tussen microfoon en voorversterker zeer kwetsbaar zijn
voor inductieve en capacitieve invloeden. Dit probeert men te voorkomen via
symmetrische lijnen : er worden 2 geleiders en 1 afscherming gebruikt.
De eerste geleider ( + ) en de tweede ( - = 180°) worden via een uitgangs- en
een ingangstransformator met elkaar vergeleken. Wanneer een signaal met
dezelfde fase in de ingangstransformator komt, wordt dit signaal door de
transformator opgehoffen.
3.2.k
Fantoomvoeding voor condensatormicrofoons
De polarisatiespanning voor C. microfoons noemen we Phantom voeding.
Deze spanning moet voor een aantal microfoons 48 V zijn, de meeste C.
microfoons werken met lagere spanningen vanaf 9V.
18
3.3
3.3.a
Kwaliteitsaspecten van de microfoon
De frequentiekarakteristiek
Microfonen moeten in principe zo neutraal mogelijk klinken. Toch is bij de
meeste mics een afwijking hoorbaar naargelang de hoek van het
invallend geluid.
Omnidirectionele mics hebben hier veel minder last van. Directionele en
afgeleide mics werken met faseverschillen en zullen onvermijdelijk
verkleuren.
De verkleuring zal het kleinst zijn bij 0° invalshoek.
Bij ‘off axis’ ( 180° )kleuring zal vooral de afzwakking van het hoog opvallen.
De verkleuring kan zelfs bij bepaalde microfoons zeer ‘modderig’ klinken bij
breedband signaal.
3.3.b
Het nabijheidseffect
Directionele microfonen hebben de eigenschap dat wanneer de geluidsbron
zich binnen 1 meter bevindt, het nabijheidseffect of proximity effect optreed.
Door de fase verschillen zullen de lage frequenties moeilijk langs de
akoestische poorten binnendringen. Vanaf een zekere afstand zullen de
lage frequenties omgebogen ( gediffracteerd ) worden rond en achter de
microfoon. Hierdoor worden de lage tonen als pure drukcomponent en
weergegeven daar waar de hoge tonen wel via de fasepoorten zullen binnen
vallen.
Het gevolg is een sterke toename van de lage frequenties.
Dit effect wordt soms gewild gebruikt om een stem de nodige ‘warmte’ te
geven.
Veel directionele microfonen hebben hiervoor een ‘laag-af’ filter ingebouwd.
19
3.3.b
Het nabijheidseffect
Het nabijheidseffect heeft een vrij slechte invloed op de verstaanbaarheid
van de stem. De combinatie van proximity en off-axis miking kan echt
vernietigend werken voor de verstaanbaarheid.
Opgelet : mics met variabele richtingskarakteristiek zullen altijd proximity
effect vertonen zelfs al staan ze in de omnidirectionele stand.
Enkel volwaardige omnidirectionele mics hebben geen nabijheidseffect.
3.3.c
Transiëntgedrag : acceleratie en demping
Transiënten zijn uitschieters qua amplitude met een zeer korte stijg- en daaltijd
en zeer kort in tijdsduur. Microfoons worden verondersteld dergelijke signalen
analoog te reproduceren.
Dit hangt voornamelijk af van de massa van het membraan. Door hun
constructie zullen c. en bandmicrofoons hier het hoogst scoren.
De dynamische microfoon heeft bovendien nog last van de inertie van zijn
spreekspoel.
De lage massa zal er bovendien ook voor zorgen dat het diafragma zeer snel
tot stilstand komt.
20
3.3.d
Gevoeligheid en uitgangsniveau
De gevoeligheid van een microfoon is de verhouding tussen invallende
geluidsdruk en geproduceerd uitgangsniveau.
Hoe meer uitgangsniveau een microfoon produceert bij eenzelfde geluidsdruk,
hoe gevoeliger de microfoon is.
Dit wordt uitgedrukt in dB ten overstaan van een vast referentieniveau.
3.3.d.1 Open klemspanning specificaties
Het uitgangsniveau wordt uitgedrukt als ‘open klemspanning’.
Stel : een geluidsdruk van 1 µbar veroorzaakt een uitgangsspanning van 1 V
dan spreken we over een gevoeligheid van 0 dB voor die microfoon.
1 µbar wordt als referentieniveau genomen omdat dit +/- gelijk is aan
75 dB SPL.
De verhouding wordt in dBV ( ref. = 1V ) uitgedrukt.
Microfoonspecificaties zijn uiteraard enkel relevant als men de
overeenkomende drukreferentie kent.
21
3.3.d.2 Vermogenspecificatie
Een 2de methode om de gevoeligheid van een microfoon te meten maakt
gebruikt van de dBm notering. Hiervoor wordt de microfoon belast met
dezelfde weerstand als zijn interne impedantie. De luchtdrukreferentie
is steeds 10 µbar ( +/- 95 dB SPL ) en het referentievermogen is 1
milliwatt.
De gevoeligheid wordt dan rechtstreeks uitgedrukt in dBm.
3.3.e
Maximum geluidsdruk
Een belangrijke eigenschap van de microfoon is de maximum SPL die hij
kan verdragen.
Deze grens is sterk afhankelijk van het type microfoon : een dynamische
microfoon heeft een zeer hoge oversturingsgrens 145 tot 155 dB SPL ,
c. microfoons hebben waarden van om en bij de 120 tot 145 dB SPL.
De afstand tussen bron en microfoon is zeer belangrijk.
Iemand die zeer dicht in een c. microfoon spreekt kan hem wel degelijk
oversturen zonder te brullen ( oversturing van de voorversterker ).
Dit is de reden waarom weerstandsverzwakkers in dergelijke mics.
Ingebouwd worden tussen membraan en voorversterker.
22