Time 7 + 8 (03.10. og 17.10.06)

 Mikrofoner

- Lyd

- Lydens sammensetning

            - Tone

            - Klang, harmonisk klang

            - Fase

            - Transienter

            - Støy

- Mikrofontyper

            - Trykkmikrofoner

            - Trykkgradientmikrofoner

            - Dynamiske mikrofoner

            - Kondensatormikrofoner

- Mikrofoners egenskaper

Oppgave til neste time:

1)     Bruk en solomusiker, f.eks. en vokalist, fløytist e.l. (men bare én om gangen)          

2)     Bruk de hardt reflekterende veggene i lydstudio, og sett opp følgende mikrofoner foran musikeren (mikrofonene må befinne seg mest mulig på samme punkt!):

-       1 Neumann TLM 170

-       1 Studio Projects B1

-       1 Violet Design The Dolly

-       1 Schoeps MK4

-       1 AKG 535

-       1 Shure SM 58

3)     Koble opp hver mikrofon inn på hvert sitt spor i Cubase og spill inn ca. 5 min. med musikk parallelt inn på 5 spor.

4)     Gjennomfør punkt 3) én gang med ca. 20 cm avstand og én gang med ca. 4 m avstand.

5)     Solo-lytt på hvert spor etterpå og sammenlign resultatet.

6)     Lag en rangeringsliste over hvilke mikrofoner du liker best, og prøv å begrunne dette.

Mikrofoner

Valg og plassering av mikrofoner dreier seg egentlig om klangbehandling tidligst i lydoverføringskjeden. Man kan kalle dette for “akustisk equalizing”. Klangbehandling med elektriske filtre og med kunstig klangpålegg osv. begynner man først med når man ikke får det til å låte bedre med mikrofonoppstillingen.

Forskjellige anvendelsesområder krever forskjellige løsninger:

Reportasjeopptak, radio, PA, musikkopptak, hørespill, film, teater, fjernsyn osv. krever alle forskjellige fremgangsmåter.

Innen musikkopptak finner man igjen forskjellige anvendelsesmetoder av mikrofoner, avhengig av musikkens stil, karakter og egenart.

I følgende (ufullstendige) fremstilling kan man si at bruksmetoden av mikrofoner øker i omfang og betydning i pilens retning:

Computer-musikk  -  Sequencer/Synth-musikk  -  Rock/Pop  -  Jazz  -  Klassisk musikk

----------------------------------------------------------------------------------------------------------->

Vårt anvendelsesområde dreier seg mest om bruken av mikrofoner i relativt tørr lydstudio-akustikk.

Før vi kan gå nærmere inn på hvordan mikrofoner virker og brukes, må vi først se nærmere på, hva lyd egentlig er for noe.

Lyd

Når vi slår på en pianostreng, begynner den å svinge. Denne svingningen setter lufta rundt strengen og resonansbunnen til pianoet i bevegelse. Denne bevegelsen forplanter seg så videre gjennom lufta. Forplantningen skjer imidlertid ikke ved at de enkelte luftmolekylene forflytter seg, men ved at disse svinger rundt en hvilestilling, slik som bildet nedenfor illustrerer. Denne bevegelsesformen kan sammenlignes med bølger på vannet. Slik dannes små lufttrykksendringer som vårt øre og mikrofonen fanger opp. Avstanden mellom to “bølgetopper” kalles bølgelengden. Hastigheten som lydbølger forplanter seg med i luft ved romtemperatur, er ca. 340 meter pr. sekund.

Eksempel: Hvis en lydbølge har en bølgelengde på 1 meter, vil øret vårt i løpet av 1 sekund bli utsatt for 340 lufttrykk-økninger og -senkninger. Da sier vi at lydbølgen har en frekvens på 340 Hz (dette tilsvarer ca. en enstrøket f’ = 349 Hz). Betegnelsen Hz (Hertz) står for antall hele bølgeperioder pr. sekund.

Hvis vi halverer bølgelengden, fordobles frekvensen, fordi forplantningshastigheten er lik for alle frekvenser.

Vi får derfor denne viktige sammenhengen:

Bølgelengde x Frekvens = 340m/s

Dette er en viktig formel å huske når man vurderer plasseringen av mikrofoner.

Lydens sammensetning

De aller fleste lydene innen musikken består av en blanding av tre definerte komponenter: toner, klanger og støy.

Tone:

En tone er en regelmessig, harmonisk sinussvingning som er karakterisert ved sin frekvens (= antall svingninger pr. sekund = “tonehøyde”) og sin amplitude (= svingningens utslag eller styrke = “lydstyrke”).

Klang:

Når flere toner blandes sammen, kaller vi resultatet en klang.

Eksempelet nedenfor viser hva som skjer når vi blander sammen en C og en E med like amplituder. Den tykke kurven er summen av disse to sinuskurvene og oppfattes av øret vårt som en stor ters.

Harmonisk Klang:

Her dreier det seg om et spesialtilfelle av en klang. En harmonisk klang består av en grunntone og én eller flere overtoner. Overtonene fremkommer ved at grunntonens frekvens multipliseres med hele tall. Overtonene kalles også for overharmoniske. Således er en hver “tone” som er produsert på et musikkinstrument egentlig ingen “tone” i ovenfor stående betydning, men en harmonisk klang. Overtonenes sammensetning definerer det som vi oppfatter som instrumentets klangfarge. Den tykke kurven nedenfor viser eksempelet av en enkel harmonisk klang, bestående av summen av grunntone (= førsteharmoniske) og annenharmoniske.

Vi kan dermed si at kurveformen til den resulterende svingningen optisk gjengir klangfargens karakteristikk. Eller med andre ord: Forandrer kurveformen seg, så forandrer klangfargen seg.

En annen parameter som er svært viktig å ta hensyn til når man jobber med flere mikrofoner samtidig er fasen mellom to identiske lydsignaler.

Fase:

Når to identiske lydbølger treffer en mikrofon samtidig, er de “i fase”. Summeres to like svingninger som er i fase, blir resultatsvingningen dobbelt så stor, men kurveformen til resultatsvingningen forandrer seg ikke (den bare ”strekker seg” i vertikal retning, men selve formen forblir lik).

Dermed forblir klangfargen uforandret.

Eksempel 1)

Bølgene A og B er i fase: Klangfargen forandrer seg ikke!

Faseforskyving:   

Når to identiske lydbølger treffer en mikrofon på forskjellige tidspunkter, så er de “faseforskjøvet”. Summeres to like svingninger som er faseforskjøvet i forhold til hverandre, så får resultatsvingningen en forandret kurveform. Dermed forandrer klangfargen seg.

Eksempel 2)

Bølgene A og B er 90 grader faseforskjøvet: Klangfargen forandrer seg!

Motfase:      

Når to identiske lydbølger treffer en mikrofon med 180 grader faseforskyvning, så er de “i motfase”. Summeres to like svingninger som er i motfase, nøytraliserer de hverandre, og resultatsvingningen blir null. Dermed blir det stilt, og vi hører ingenting.

Eksempel 3)

Bølgene A og B er i motfase: De nuller hverandre ut!

Transienter:

I det vi begynner eller slutter å spille på et instrument, oppstår det svingningsfenomener eller forstyrrelser som er ulike i forhold til de svingningene som gir instrumentet en “tone”: Det oppstår såkalte “transienter”. Transientene er forskjellig fra instrument til instrument og forskjellene er store mellom forskjellige instrumentgrupper. Sammen med overtonespekteret (se harmonisk klang) er det transientene som gir instrumentet dets karakteristikk og særpreg.

Støy:

I dagligtale kalles uønsket lyd for støy. I lydteknikken defineres støy som lyd uten tone, uten klangkarakter og uten definert tonehøyde. Mens en klang består av definerte enkelttoner, så har støy et kontinuerlig frekvensspektrum, dvs. at støy dannes av uendelig mange delfrekvenser som ligger uendelig tett inntil hverandre i spekteret. Dermed er det ikke mulig å dele opp støy i rene enkelttoner.

I lydteknikken trenger ikke støy nødvendigvis å bety noe negativt. Det kan være uønsket, men det kan også være en ønsket og nødvendig ingrediens i total-lyden.

Mikrofoner

Mikrofonen er en omformer

Som vi har sett, dannes all lyd ved at luftmolekyler begynner å svinge i takt rundt en hvileposisjon. For å kunne bearbeide lyd i en mikser og lagre den på et medium, må disse akustiske svingningene omformes til elektriske svingninger. Denne omformingen skjer i mikrofonen, en mekanisk innretning som omsetter svingningene i et akustisk system via et mekanisk system til svingninger i et elektrisk system.

En mikrofon er et apparat som omformer akustisk energi til elektrisk energi.

Mikrofontyper

Mikrofoner grupperes inn i enkelte mikrofontyper, avhengig av hvilke fysikalske størrelser de reagerer på, og på hvilken måte de omformer de akustiske svingningene til elektriske svingninger.

Vi skal bare se på et utvalg av mikrofontyper, nemlig de som vi bruker på musikkhøgskolen. Samtidig er disse mikrofonene også svært vanlige i musikkopptaks-sammenheng.

Vi har to grupper mikrofoner som reagerer på forskjellige fysikalske størrelser:

q       Trykkmikrofoner reagerer på variasjon i lufttrykket.

q       Trykkgradientmikrofoner reagerer på variasjon i lufttrykksforskjellen mellom for- og baksiden av mikrofonmembranen.

Videre har vi to grupper mikrofoner som omformer de akustiske svingningene på forskjellige måter:

q       Kondensatormikrofoner benytter seg av kondensatorprinsippet.

q       Dynamiske mikrofoner benytter seg av induksjonsprinsippet.

For både kondensator- og dynamiske mikrofoner gjelder at de kan være trykkmikrofoner så vel som trykkgradientmikrofoner.

Trykkmikrofon = “Kulemikrofon”

Tegningen nedenfor viser skjematisk et snitt gjennom en trykkmikrofon. Det er spent en tynn membran over en lukket boks (kapselen), og dermed får vi et lukket rom inne i mikrofonkapselen. Er det stilt i rommet, innstiller membranen seg i en likevektsstilling, slik at lufttrykket på inn- og utsiden av membranen blir den samme. Treffer en lydbølge membranen, vil den i takt med trykkvariasjonene som lydbølgen nå forårsaker, utjevne lufttrykksforskjellene som oppstår mellom inn- og utside av membranen.
Dermed vil membranen svinge i takt med lydbølgen. Det er viktig å merke seg at membranen i dette tilfellet svinger like sterkt, uansett hvilken retning lydbølgen kommer fra.
 

I et polardiagram kan man tegne opp, hvor mye en lydbølge blir dempet, avhengig av retningen den kommer fra. Vi sier at retningen rett forfra inn på mikrofonkapselen er 0 grad-retningen. Hvis man da tegner inn dempningen (i dB) for hver vinkel rundt mikrofonen, får man en kurve som definerer mikrofonens retningskarakteristikk. Ut ifra diagrammet nedenfor ser vi at trykkmikrofoner ikke er retningsbestemte. Pga. den resulterende kurveformen i diagrammet sier vi at trykkmikrofoner har en “kulekarakteristikk”.

Symbolet for mikrofonkapsler med kulekarakteristikk er en sirkel: 

Polardiagramm: Retningskarakteristikken til trykkmikrofoner

Trykkgradientmikrofoner

Det finnes to typer trykkgradientmikrofoner (eller trykk-forskjells mikrofoner): “Åttetallsmikrofoner” og “Nyremikrofoner”. Felles for dem begge er at lydbølger treffer begge sidene av mikrofonmembranen.

1) Åttetallsmikrofon

Tegningen nedenfor viser skjematisk et snitt gjennom en åttetallsmikrofon. Det er spent en tynn membran over en ramme, slik at det er åpent på begge sidene av membranen. Når en lydbølge passerer denne membranen, vil trykkforskjellen på et gitt tidspunkt mellom de to sidene av membranen få den til å bevege seg. Lufttrykkvariasjonene er tilnærmet de samme på begge sidene av membranen, men de er forskjøvet i tid (faseforskjøvet). Dermed vil retningen som lydbølgen kommer fra bli avgjørende for hvilken side membranen først slår ut mot. Hvis lydbølgen treffer mikrofonen parallelt med membranen, får vi ingen tidsforsinkelse og dermed ingen trykkforskjell mellom begge sidene av membranen, og den vil holde seg i ro.

Dermed vil membranen svinge i takt med lufttrykksforskjellene, som avhenger av hvilken retning lyden kommer fra.

Tegner man opp i et polardiagramm hvor mye en lydbølge blir dempet på denne mikrofontypen, avhengig av retningen lyden kommer fra, får man en kurve som ser ut som et åttetall. Vi sier at denne type mikrofon har en “åttetallskarakteristikk”, siden membranens bevegelser er størst for lydbølger som treffer vinkelrett på, og lik null for lydbølger som intreffer 90 grader fra siden, parallelt med membranen. Åttetallsmikrofoner er altså retnings-bestemte. Symbolet for denne mikrofonkarakteristikken er et liggende åttetall:

Polardiagramm: Retningskarakteristikken til åttetallsmikrofoner

2) Nyremikrofon = Kardioidemikrofon

Det finnes to måter å konstruere en nyremikrofon på:

1) Den første metoden viser skjematisk en kule- og en åttetallsmikrofon som er elektrisk koblet sammen i samme mikrofonhus. Utslagene på disse to membranene summeres elektrisk. Retningen på åttetallsmikrofonens første membranutslag er avhengig av lydbølgens retning. Dermed er også nyremikrofonen retningsbestemt.

Polardiagrammet under viser resultatkurven etter summering av de to mikrofonsignalene. Nyremikrofonen har fått sitt navn pga. at formen på denne kurven ligner på en nyre. Symbolet for denne mikrofonkarakteristikken tegnes slik:

“Kule” + “Åtte” = “Nyre”

Polardiagramm: Retningskarakteristikken til nyremikrofoner

2) Den andre metoden kombinerer trykk- og gradient-prinsippet i en akustisk kobling. Figuren nedenfor viser skjematisk mikrofonhuset for en trykkmikrofon, der det er laget en liten åpning på baksiden av membranen. I denne åpningen sitter det et dempnings-materiale som forsinker lydbølgen som passerer igjennom den på en slik måte, at vi får likt trykk på begge sidene av membranen når lyden kommer rett bakfra. Resultatet blir i dette tilfellet ingen utslag på membranen. Kommer lyden fra andre retninger, øker membranutslaget og dermed følsomheten av mikrofonen, jo mer forfra lyden treffer mikrofonkapselen. Vi ser altså at nyremikrofoner er retningsbestemte.

Hittil har vi sett på hvordan akustisk energi omformes til mekanisk energi.

I det følgende skal vi se på hvordan mekansik energi omformes videre til elektrisk energi.

Vi skal i dette kurset bare se på de to vanligste prinsippene:

Dynamiske mikrofoner og kondensatormikrofoner.

Dynamisk mikrofon

Tegningen nedenfor viser et skjematisk snitt gjennom en dynamisk mikrofon. Vi har en elektrisk spole som er festet til mikrofonmembranen og som omslutter en permanent kraftig magnet. Når lyden setter membranen og spolen i bevegelse, induseres det små spenninger i spolen i takt med lydbølgene. Derfor kalles denne mikrofontypen svingspolemikrofon eller dynamisk mikrofon.

Kondensatormikrofon

Tegningen under viser et skjematisk snitt gjennom en kondensatormikrofon. I stedet for å feste en spole til membranen, lar vi membranen være en av to elektrisk ledende plater i en kondensator. Platene er plassert meget nært hverandre, ca. 0.02mm. Den ene “platen”, membranen, er tynn og kan bevege seg i takt med lydsvingningene. Den andre platen er stiv og står i ro.

For at en kondensator skal virke, må den stå under en konstant likespenning. Denne likespenningen leveres fra kanalen i miksebordet som mikrofonen er koblet til (via de to programlederne i den balanserte mikrofonkabelen) til selve kondensatormikrofonen. Denne likespennings-forsyningen kalles fantommating og er vanligvis +48 volt.

På Sony-mikseren finnes fantommatingsknappen (+48V) i input-trinnet.

Når den ene platen (=membranen) beveger seg, vil spenningen i kondensatoren endre seg i takt med lydbølgene. Bevegelsene er meget små, i størrelsesorden av luftmolekyldiametre.

Egenskaper hos mikrofoner

Opptakssituasjonen setter rammen for hvilke egenskaper ved mikrofonene vi er ute etter. Det er stor forskjell mellom et intervju med håndholdt mikrofon, en pop-innspilling og et orkesteropptak. Det er derfor grunnleggende viktig å kjenne mikrofonenes egenskaper og å utnytte disse bevisst.

Retningskarakteristikk:

Valg av retningskarakteristikk gjøres ut fra behovet for demping av romklang eller uønsket støy i rommet og ut fra hensyn til lekkasjelyd.

Kulemikrofoner tar opp alt, fra alle retninger i hele rommet, mens nyre- og åttetallsmikrofoner på en mer retningsbestemt og selektiv måte plukker opp enkeltlydkilder som vi er ute etter.

Avstandsfaktor:

Ved å velge en nyremikrofon framfor en kulemikrofon kan avstanden fra lydkilden til mikrofonen økes. Lydforholdene som vi får med en kulemikrofon i en bestemt avstand beholdes, dersom vi i stedet bruker en nyremikrofon og øker avstanden med en faktor på 1.7.

Frekvensgang:

Det er ønskelig at mikrofonen har en mest mulig “rett” frekvensgang i hele det hørbare lydspekteret (fra 20 Hz til 20 kHz), dvs. at alle frekvensene blir likt overført av mikrofonen, uten at noen enkelte frekvensområder blir forsterket eller dempet, fordi da klangfargen til lydkilden vil bli forandret. I praksis er dette ikke ideelt mulig, pga. de følgende faktorene:

- Innfallsvinkel:      

Som vi har sett tidligere får vi faseforskjeller for lydbølger som kommer inn fra siden på nyre- og åttetallsmikrofoner. Dette betyr at klangfargen for disse signalene forandrer seg.

- Kulemikrofoner er ingen ideelle “kuler”:

Hos kulemikrofoner oppstår det en lufttrykks-opphopning foran mikrofonkapselen for de frekvensene som har en bølgelende lik den dobbelte diameteren av mikrofonkapselen. Dette fører til en forsterkning av frekvensene rundt ca. 10 kHz med +6 dB. Dessuten skygger mikrofonen akustisk for frekvensene som kommer inn fra siden og som har kortere bølgelengde enn de fysiske dimensjonene til mikrofonen. Det betyr at kulemikrofoner får en tilnærmet nyrekarakteristikk for økende frekvenser (over ca. 10 kHz).

- Nærtale og bassheving:

Trykkgradientmikrofoner har et problem med lavfrekvente lydbølger pga. måten de jobber på. Er mikrofonen plassert nærmere lydkilden enn bølgelengden til en bestemt frekvens (f.eks. 100 Hz har en bølgelengde på 3.4 m), så øker lydstyrken til denne frekvensen. Plasseres f.eks en nyremikrofon 10 cm fra en lydkilde, får vi en bassheving på hele 10 dB for en frekvens på 100 Hz.

Noen ganger kan det være ønskelig med en slik effekt, f.eks. for å forsterke inntrykket av “nærhet”, men som regel er dette en uønsket effekt. Trykkgradientmikrofoner har derfor ofte et innbygget basskuttfilter.

- Følsomhet:             

Mikrofonens følsomhet er et mål for den elektriske spenningen som dens utgangskontakter leverer når den plasseres i en lydbølge på 1 N/m^2. Kondensatormikrofoner leverer vanligvis ca. 30 dB sterkere nivå enn dynamiske mikrofoner. Mikrofonsignalet forsterkes med opp til 60 - 70 dB med mikrofonforsterkeren i mikserens inngangstrinn.

- Mikrofonens dynamikkområde:

Mikrofoner har en øvre og nedre grense for lydtrykk de klarer å overføre.

Den øvre grensen er satt til det lydtrykket som forårsaker forvrengninger på max. 0.5%. I praksis kan disse lydtrykkene ligge på 130 - 150 dB SPL.

Den nedre grensen danner det svakeste lydtrykket som så vidt overstiger mikrofonens egenstøy.

Liten sammenfatning:


Dynamiske mikrofoner:

Dynamiske mikrofoner er robustere og tregere enn kondesatormikrofoner, fordi omformingsmekanismen er massivere enn hos kondensatormikrofonene. Derfor brukes de i “tøffere” situasjoner, slik som pop-musikk, slagverks-musikk, PA- og live-situasjoner, ved nærtale-opptak og generelt ved svært høye lydnivåer. Fordi den elektriske spolen er forholdsvis massiv og treg, reagerer den dårligere på impulser og overfører dårligere finstrukturer i rommet og dypfrekvente lyder enn det kondensatormikrofoner gjør. Men de tåler mye og det skal noe til før de overstyrer.

Kondensatormikrofoner:

Kondensatormikrofoner er høykvalitetsmikrofoner med en lettvektig mekanisk konstruksjon (kondensatoren) som klarer å fange opp selv de minste detaljene i rommet. Kondensatormikrofoner kan anvendes universelt, men de er de eneste mikrofonene som på en tilfredsstillende måte kan gjengi rominformasjon, fjerne lydkilder og finstrukturen i rommet. Vanligvis er det disse mikrofonene som brukes til opptak av alle former for klassisk og akustisk musikk, men med innbygget dempeledd kan de også (og delvis med enda bedre resultat) brukes i opptakssituasjoner, der vanligvis dynamiske mikrofoner ville blitt brukt.

Tilbake til forsiden