Mikrofon

Mikrofon ist ein Gerät zur Umwandlung des akustischen Signals in ein elektrisches Signal. Den ersten Mikrofon erfand der Erfinder des Grammophons Emile Berliner 4. März 1877.

Dynamischer Mikrofon

dynamischer Mikrofon

Membran des Mikrofons bewegt sich in Abhängigkeit vom akustischen Druck. Dies verursacht auch die Bewegung der Spule, die mit der Membran verbunden ist. In der Spule, die sich so in einem Magnetfeld bewegt, entsteht ein elektrisches Signal. Das Ausgangs-Spannung verändert sich in Abhängigkeit von der Bewegung der Membran und der Spule. Beim diesem Mikrofon bewegt die Membran die Spule in dem Magnetfeld eines permanenten Magneten, wodurch ein Wechsel-Spannung beziehungsweise Strom entsteht (es handelt sich um einen umgekehrten Prozess, der in klassischen Lautsprechern stattfindet). Dynamische Mikrofone sind weniger empfindlich als Kondensatormikrofone, deshalb verarbeiten sie besser laute Gesang bei Live-Auftritten usw. Sie benötigen kein Stromversorgung und sind sehr widerstandsfähig gegenüber mechanischen Schäden. (Ein Beispiel für eine lebende Legende ist zum Beispiel der Mikrofon Shure SM58, der sehr oft bei öffentlichen Auftritten verwendet wird). Richtcharakteristik ist herzformig.

Bändermikrofon

Dieser Mikrofon arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie der dynamische Mikrofon. Der Unterschied besteht darin, dass die Membran durch einen dünnen Aluminium-streifen ersetzt wird, der sich in Abhängigkeit vom akustischen Druck in einem Magnetfeld bewegt. Dynamischer Mikrofon Bändermikrofon (sogenannte Ribbon). Hier ist die „Membran“ ein gewellter Streifen aus sehr dünnem Aluminiumfolie (wieder einige Mikrometer), der in einem permanenten Magnetfeld platziert ist. Um die Umwandlung von sehr geringer Impedanz wird ein Transformator verwendet, der ein entscheidendes Element dieser Mikrofone ist, ähnlich wie die Stärke der Magnete (heute meist Neodym-Magnete) und die Qualität der Spannung und der Wellen der Aluminiumfolie. Die Konstruktion ist einfach, aber sehr empfindlich gegenüber mechanischen Schäden und darf nicht in der Nähe magnetisch empfindlicher Medien aufbewahrt werden, da es zu deren Magnetisierung kommen kann. Heute erleben Bändermikrofone einen „Comeback“, trotz sehr niedriger Empfindlichkeit und Frequenzbereich bis zu etwa 15 kHz. Ihr großer Vorteil ist der angenehme „warmen Klang“. Langfristig müssen solche Mikrofone in der aufrechten Position aufbewahrt werden. Sie sind charakteristisch durch die Achtform.

Kondensatormikrofon

Dieser Typ Mikrofon enthält zwei dünne Metallplatten, die gegenseitig einen Kondensator bilden. Der Versorgungsstromkreis erzeugt im Kondensator einen elektrischen Ladung. Eine dieser Platten ist fest befestigt und die andere ist beweglich und hat die Funktion der akustischen Membran. Die gegenseitige Annäherung und Entfernung dieser Platten verursacht eine Kapazitätsänderung und somit auch eine Ausgangsspannungsänderung. Die Dicke der Membran beträgt einige Mikrometer und auf ihr ist eine Schicht aus seltenem Metall, meist Gold, aufgebracht, ähnlich wie bei der Herstellung von Transistoren. Die Kapazitätsänderung wird entweder durch eine Versorgung aus einer weichen Quelle oder durch einen Vorverstärker mit sehr großer Eingangs-Impedanz (dazu sind sehr geeignet Elektronenröhren, die in den ersten Mikrofonen verwendet wurden. Heute ist es einfacher, solch einen Mikrofon mit einem integrierten Schaltkreis oder Transistoren zu realisieren). Manchmal ist der Mikrofon ein Teil des Oszillators, der durch die Kapazitätsänderung abgestimmt wird und in den nachfolgenden Schaltkreisen wird die Änderung in ein Niederfrequenzsignal demoduliert. Es ist notwendig, dass der Abstand zwischen Membran und Vorverstärker so klein wie möglich ist. Der Durchmesser der Membran beträgt normalerweise einen Zoll (also 2,54 cm). Kondensatormikrofone benötigen eine Stromversorgung. Bei einer geeigneten Konstruktion der Mikrofonkapsel ist es möglich, mit einem Polarisations-Spannung die Richtcharakteristik des Mikrofons zu verändern, was bei Studio-Mikrofonen genutzt wird. Kondensatormikrofone werden hauptsächlich für professionelle Studioaufnahmen und Messzwecke verwendet. Bei Live-Auftritten werden heute hauptsächlich dynamische Mikrofone verwendet. Der Kondensatormikrofon gehört zu den akustisch vertrauenswürdigsten und empfindlichsten unter verschiedenen Mikrofonprinzipien.

Elektretmikrofon

Elektretmikrofone

Elektretmikrofon ist eine Art Kondensatormikrofon, bei dem das elektrische Feld, das für die Funktion erforderlich ist, durch einen Elektret erzeugt wird, also eine isolierte Substanz, die permanent geladen ist. Im Rhythmus der Membranbewegung verändert sich die Kapazität des Kondensators und somit auch die Spannung zwischen den Platten. Die Spannungsänderungen müssen durch einen Vorverstärker mit hoher Eingangsimpedanz verarbeitet werden, (meist eingebauter FET-Transistor, direkt im Körper des Mikrofons), wodurch auch eine Stromversorgung erforderlich ist. Sie werden hergestellt für anspruchsvolle Messzwecke, für Studios, aber auch für weniger anspruchsvolle Anwendungen, beispielsweise in Computern, Telefonen, Verbraucher-Elektronik usw. Der eigentliche Körper des Mikrofons ist normalerweise nicht im Durchmesser größer als 1 cm.

Kohlemikrofon

Dieser Typ ist weder ein dynamisches noch ein Kondensatormikrofon. Das Mikrofon wurde in alten Telefonanlagen verwendet, und dank seiner Widerstandsfähigkeit gegen Stöße auch in militärischen Funkgeräten und Telefone. Das Prinzip basiert auf dem Zusammenpressen von Kohlen-Granulat. Wenn diese zusammengepresst werden, sinkt ihr Widerstand und die Ausgangs-Spannung steigt. Auf dem Prinzip des Kohlemikrofons wurden auch die ersten akustischen Verstärker für Telefonzentralen konstruiert. Solche Verstärker hatten eine hohe Verzerrung und einen geringen Frequenzbereich. In Mikrofonen dieser Konstruktion entstand bei mechanischen (auch sehr feinen) Stößen ein Krachen, verursacht durch das Reiben der Kohlenpartikel aneinander. Am Anfang der Rundfunkübertragung durchlief das Signal des Senders mit hoher Leistung den Kohlemikrofon, weshalb die Mikrofone eine Kühlung erforderten. Sie wurden in schwere Stativen und Federsysteme eingebaut, was mechanische Stöße eliminierte. Sie haben keine Richtcharakteristik.

Piezoelektrischer (piezo)mikrofon

piezo Mikrofon

Das Mikrofon basiert auf dem piezoelektrischen Effekt. Kristall-Substanz erzeugt bei ihrer Verformung ein polarisiertes elektrisches Spannung. Auf diesem Prinzip basiert das piezoelektrische Mikrofon, das hauptsächlich zum Aufnehmen von Schall von akustischen Instrumenten (Kontrabass, Gitarre, Geige) verwendet wird, da sich die flache Aufnahmeeinheit vorteilhaft auf die Resonanzplatte des Musikinstruments befestigen lässt. Vibrationen der Platte werden auf den aufnehmenden Kristall übertragen, was eine Spannung äquivalent zu den Vibrationen erzeugte. Das piezoelektrische Mikrofon wurde hauptsächlich in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts verwendet. Die geringen Herstellungskosten bestimmten es als Ergänzung zu Bändern Magnetophone.

Charakteristik des Mikrofons

Frequenzbereich, für den die Mikrofone bestimmt sind. Wird in Hz angegeben. Für eine gute Aufnahme wird ein Bereich von 40 Hz – 15 kHz gefordert. Kohlemikrofon: 300 Hz – 3 kHz, dynamisches Mikrofon: 20 Hz – 20 kHz, Kondensatormikrofon: 10 Hz – 20 kHz.
Richtcharakteristik Abhängigkeit der Empfindlichkeit des Mikrofons vom Winkel zwischen Achse des Mikrofons und der Richtung, aus der die Schallquelle wirkt. Wird durch einen räumlichen Graph ausgedrückt.
Frequenzcharakteristik ist die Abhängigkeit der Empfindlichkeit des Mikrofons von der Frequenz. Wird grafisch ausgedrückt.
Empfindlichkeit des Mikrofons ist der minimale akustische Druck, den das Mikrofon erfassen kann, um die gewünschte Reaktion auszulösen. Wird in mV/Pa für eine bestimmte Frequenz angegeben. Je niedriger die Empfindlichkeit ist, desto näher muss das Mikrofon zur Schallquelle sein. Die Empfindlichkeit ist kein entscheidender Faktor, solange sie nicht unter 0,8 mV/Pa bei einem inneren Widerstand des Mikrofons von 200 Ohm fällt. In diesem Fall ist immer noch ein Signal-Rauschabstand von 45 dB vorhanden, was die Grenze der Wahrnehmbarkeit ist.
Rauschen des Mikrofons Wenn das äquivalente Rauschpegel des Rauschens des Mikrofons niedriger ist als das Rauschpegel des Studios (akustischer Druck 3,6.10-2 Pa) dann ist das Mikrofon geeignet.
Ausgangsimpedanz. Nach dem Typ ist sie mehr oder weniger frequenzabhängig. Die Größe der Impedanz ist wichtig für die Anschluss des Mikrofons an den Verstärker (Impedanzanpassung).
Richtfaktor Jeder Typ Mikrofon ist dadurch gekennzeichnet, dass seine Ausgangsspannung auch von der Richtung abhängt, aus der die Schallwelle auf das Mikrofon trifft. Vollständig omnidirektionale Empfindlichkeit haben nur Mikrofone mit omnidirektionaler Richtcharakteristik, aber auch für diese gilt das nur für mittlere und niedrige Frequenzen. Bei höheren Frequenzen verändert sie sich in herzformig bis achtformig, wenn die Wellenlänge sich dem Maß des Mikrofons nähert. Mikrofone mit herzformiger beziehungsweise achtformiger Charakteristik betonen Schallwellen, die aus der Richtung der größten Empfindlichkeit des Mikrofons kommen, und unterdrücken Schall aus anderen Richtungen. Der Richtfaktor kann mathematisch als Verhältnis des Quadrats der Ausgangsspannung zum Quadrat der Ausgangsspannung des gleichen Mikrofons, das in einem perfekt diffusen akustischen Feld unter der Voraussetzung gleichen akustischen Drucks und einer Wellen, die in der Achse des Mikrofons eintrifft, ausgedrückt werden. Ein Mikrofon mit perfekt omnidirektionaler Charakteristik hat einen Richtfaktor = 1. Die Wurzel des Richtfaktors ist der sogenannte Distanzfaktor, der angibt, wie oft man einen gerichteten Mikrofon von der akustischen Quelle entfernen kann im Vergleich zu einem Mikrofon mit omnidirektionaler Charakteristik bei Erhaltung des gleichen Verhältnisses von direktem und störendem Signal.

Richtcharakteristik

Die Richtcharakteristik ist die räumliche Empfindlichkeit des Mikrofons. In Abhängigkeit von der Konstruktion und dem Typ des Mikrofons kann dieser Schall aus verschiedenen Richtungen in unterschiedlicher Intensität empfangen. Mikrofone werden mit Richtcharakteristiken nach ihrem voraussichtlichen Einsatz konzipiert. Die Richtcharakteristik ist frequenzabhängig – sie zeigt sich meist bei hohen Tönen, während die tiefen unverändert bleiben.

omnidirektional
subkardioidisch
kardioidisch
superkardioidisch
hyperkardioidisch
achtformig
gerichtet

omnidirektional (kugelförmige) oder omnidirektionale Charakteristik ist eine, bei der das Mikrofon Schall gleichmäßig gut von allen Seiten empfängt. Sie kann am einfachsten erreicht werden und ist typisch für Elektretmikrofone.
kardioidisch (kardioidale) Charakteristik unterdrückt die Empfang von Schall „von hinten“ des Mikrofons. Typische Charakteristik für dynamische Mikrofone für Gesang, unterdrückt Rückkopplung.
hyperkardioidisch Charakteristik ist eine gerichtetere Charakteristik als die kardioidale Charakteristik.
achtformig (bidirektionale) Charakteristik ist eine, bei der das Mikrofon Schall nur von vorne und hinten empfängt.
gerichtet Charakteristik vermittelt eine abgeschwächte Empfang von Schall von hinten und von den Seiten. Empfangen wird nur Schall von vorne.
eng gerichtet Charakteristik vermittelt eine deutlich abgeschwächte Empfang von Schall von hinten, was sich aus physikalischen Gründen meist erst bei einer Mikrofonlänge von bis zu 1 Meter erreichen lässt. Sie ist charakteristisch für Filmstativmikrofone, die Mikrofone in der Höhe über der Bildgrenze halten. Die eng gerichtete Charakteristik des Mikrofons wird auf Kosten der Frequenzcharakteristik erreicht, die nur bis in das akustische Spektrum gedrückt ist.

Frequenzcharakteristik

Frequenzcharakteristiken der Mikrofone
Oktava 319 (Studio), unten Shure SM58 (Gesang)

Die Frequenzcharakteristik des Mikrofons ist die Abhängigkeit der Empfindlichkeit von der Frequenz. Wird grafisch ausgedrückt. Der physikalische Ideal wäre ein Mikrofon, das den akustischen Reiz immer in einen äquivalenten elektrischen Signal umwandelte, unabhängig von seiner Frequenz. So ist es jedoch nicht. Das Erreichen einer ausgewogenen Charakteristik zumindest im hörbaren Bereich erfordert kostspielige Maßnahmen, beispielsweise sehr kleine Mikrofonmaße. Der Mangel wurde jedoch zur Tugend und die Frequenzungleichmäßigkeiten der einzelnen Produkte begannen genutzt zu werden, um bestimmte charakteristische Schallnuancen der aufgenommenen Objekte zu betonen oder zu unterdrücken. Beispielsweise arbeiten alle Mikrofone außer omnidirektionalen als Gradienten-Übertrager, mit Annäherung an die Signalquelle verstärken sie tiefe Frequenzen – so genannte 'Proximity-Effekt'. Dieser Effekt wird von einigen Sängern genutzt, um in bestimmten Gesangspassagen eine warme Klangfarbe zu erzielen, indem sie das Mikrofon näher oder weiter weg halten.

Für besondere Zwecke werden Mikrofone mit unterdrückten Teilen der Frequenzcharakteristik hergestellt (z. B. für Berichtsaufnahmen von Sprache oder für Kommunikationsgeräte, die in einem lauten Umfeld arbeiten), in einigen Fällen sind sie mit umschaltbaren Korrekturen direkt im eigenen Mikrofonkörper ausgestattet, oder sie betonen bestimmte Teile des Spektrums, die für die Aufnahme von Schall spezifischer Musikinstrumente notwendig sind.

Zubehör

Schutz vor Wind und mechanischen Einflüssen – meist in Form eines akustisch dämpfenden Überzugs (Molitza, Gewebe)
Spinnennetz – wird hauptsächlich bei Kondensatormikrofonen verwendet. Der Körper des Mikrofons ist in Kautschuk (oder Federn) eingespannt, was eine abgefederte Anordnung ist, die ihn von mechanischen Stößen trennt.
Windkappe- allgemein verbreiteter Name für eine schaumstoffhafte Schutzvorrichtung des Mikrofons vor Wind. Hauptsächlich wird sie von Fernsehstativen auf Berichtsmikrofonen verwendet, und auch ihre „haarige“ Variante wird auf eng gerichteten Mikrofonen verwendet.
Pop-Filter – wird in Studios verwendet. Es ist ein Gitter aus dämpfendem Gewebe, das größere Luftmengen (z. B. Ausatmen) dämpft (verstreut), damit sie nicht als Stoßwelle auf das Mikrofon übertragen werden.