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Ein 16-seitiger Artikel aus 1976 (aus dem Hause Sennheiser)

Es war zu der Zeit, als Sennheiser (Hannover) die Firma Georg Neumann (Berlin) und die Firma Klein & Hummel (Kemnat bei Stuttgart) noch NICHT übernommen hatte. Das waren also Kollegen bzw. Wettbewerber wie auch die Firma Schalltechnik Schoeps (Karlsruhe). Der nachfolgende Artikel ist nur mit "E. Werner" unterzeichnet, doch dahinter verbirgt sich als Autor der damalige Sennheiser- Mitarbeiter Dr. Ing. Erhard Werner.

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Mikrofone für Hörfunk- und Fernseh- Einsatz (fi 760525-1)

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Zusammenfassung (von E. Werner)

Der Beitrag für das "7. Nordisk Symposium i Lydkontrollteknik" vom 6. bis 7. Mai 1976 bemüht sich, eine Übersicht über Anforderungen, technische Ausführung und Handhabung der im Rundfunk und Fernsehen verwendeten Mikrofone zu geben.

Nach einem kurzen geschichtlichen Überblick werden die beiden Klassen der dynamischen und kapazitiven Mikrofone betrachtet. Diese beiden Klassen sind in ihren mannigfachen Varianten zur Zeit nahezu ausschließlich im Einsatz.

Je nach Anwendungszweck und Einsatzort ergeben sich aber nicht nur unterschiedliche Bauformen, sondern auch einzelne besonders betonte und herausentwickelte Eigenschaften, Zukünftige Verbesserungen im Hinblick auf die Weiterentwicklung bekannter Wandlertechno]ogien oder das Einführen neuer Technologien werden stets ihre Basis in den theoretischen Erkenntnissen haben, die nun aus etwa hundertjähriger Entwicklungsarbeit an diesen Aufnahmewandlern zur Verfügung stehen.

1. Kurzer Rückblick auf die Entwicklungsgeschichte

Die Triebfeder zur Entwicklung von Mikrofonen ist in drei Wünschen zu sehen.Zum einen ist es der Wunsch, die menschliche Stimme auf größere Entfernungen zu übertragen, zum zweiten war es der Wunsch nach einer Verstärkung der menschlichen Stimme und als drittes muß das Streben nach einem Festhalten akustischer Eindrücke zur späteren Reproduktion genannt werden.

Der erste Wunsch nach Fernübertragung der menschlichen Stimme hat die älteste Basis. Bereits 1861 erfand Philip Reis ein Mikrofon, dessen Wirkungsweise auf die physikalischen Verhältnisse an der Kontaktstelle von Platinelektroden zurückzuführen war. Dieses Wandlerprinzip aus der Geburtsstunde der Fernsprechtechnik konnte sich jedoch nicht halten.

1876

1891-eroeffnung-telefon-paris-london

Bereits 1876 skizzierte Graham Bell ein magnetisches Mikrofon. Es ist allgemein bekannt, daß in der Fernsprechtechnik heute die Mehrzahl aller Mikrofone nach dem Kohleprinzip arbeitet, das in den Jahren 1877 und 1878 als geistige Väter die Namen Edison, Berliner und Hughes zu verzeichnen hat. Sonderprinzipien, wie z.B. das von Gray 1876 angegebene Flüssigkeitsmikrofon konnten sich gegen das preiswert herzustellende, robuste Kohlemikrofon nicht durchsetzen.

In Verbindung mit dem von Werner von Siemens 1878 angegebenen dynamischen Telefon auf der Hörerseite lagen die Grundeinheiten für den Fernsprechapparat vor, die sich praktisch bis heute gehalten haben.
Als zweiten Anstoß zur Entwicklung von Mikrofonen nannten wir bereits die Verstärkung der menschlichen Stimme. Nachdem dies zunächst rein akustisch durch Bündelung mit "Trichtermegaphonen" möglich war, erlaubte die Anwendung von Mikrofonen mit nachgeschalteten Verstärkern die Entwicklung einer Sparte der Elektroakustik, die heute allgemein als Beschallungstechnik einen wichtigen Zweig darstellt.

Als dritter Ursprung für Mikrofone wurde das Bewahren akustischer Eindrücke genannt. Auch hier lag der Start in einer akustomechanischen Anordnung. Nichts anderes stellte die von Thomas Alva Edison erfundene Phonographeneinrichtung dar.

In ihr wurden die Schwingungen des Schallfeldes über eine Membran auf einen Stichel übertragen, der seinerseits in Tiefenschrift auf einer Wachswalze ein Abbild des akustischen Geschehens eingravierte. Erst die Zwischenschaltung elektrischer Signale mit allen ihren Möglichkeiten zur Verstärkung und Beeinflussung sowie die Weiterentwicklung der Aufnahmemedien führten zum hohen Stand von Schallplatte und Tonband der heutigen Zeit.

Rundfunk und Fernsehen

Die Georg Neumann Flasche

Nicht ausdrücklich genannt bei den drei Triebfedern wurde Rundfunk und Fernsehen. Hier laufen mindestens die zwei Wünsche nach der Fernsehübertragung des akustischen Ereignisses und nach der Konservierung zusammen. Gegenüber der Fernsprechtechnik früherer Zeiten besteht die Erweiterung einerseits im Fortfall der Leitungen und andererseits in der Programmerweiterung von reinem Sprachaustausch auf die Hinzunahme von Musik.

Die Rundfunkanstalten, die in vielen Ländern heute ihr 50-jähriges Jubiläum bereits hinter sich haben, starteten auf der Mikrofonseite häufig mit dem in Federn gelagerten Marmorblock, dem Kohlemikrofon nach Reisz und Neumann, Rauscharme Vorverstärkerröhren führten dann zu den Kondensator- "Flaschen"-Mikrofonen der Vorkriegszeit,

2. Mikrofon-Wandlerprinzipien

Für den Aufnahmewandler in der seit Jahrzehnten entwickelten Technik besteht die Aufgabe, die akustischen Größen des Schallfeldes in elektrische umzuformen. Dafür stehen viele Wandlerprinzipien zur Verfügung, die schematisch im Bild 1 zu sehen sind. In der dritten Zeile dieses Bildes sind insgesamt sechs Mikrofontypen aufgeführt, die sich in unterschiedlicher Art in Gruppen zusammenfassen lassen.
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Bild / Tabelle 1

Die obere Zweiteilung unterscheidet zwischen passiven Wandlern und aktiven Wandlern. Passive Wandler sind hier definiert als Wandler, die ohne Aufnahme von Leistung die Schallfeldgrößen direkt in elektrische Größen umformen. Aktive Wandler dagegen steuern nur die zur Verfügung gestellte Leistung einer Quelle. Nach dem Arbeitsprinzip ist eine zweite Unterteilung in Geschwindigkeits-und Elongationsempfänger möglich. Die dritte Einteilung bezieht sich auf die Richteigenschaften und unterscheidet zwischen Druckgradienten-und Druckempfängern.

Dynamische und magnetischen Mikrofone

Dynamische Mikrofone arbeiten nach dem Induktionsgesetz. Die stets notwendigen Dauermagnete als Träger statischer Energie dienen nur zur Erzeugung des magnetischen Feldes, in das die Spule eintaucht. Die in der Spule induzierte Spannung ist der Geschwindigkeit des Spulenleiters im magnetischen Feld proportional.

Ebenfalls nach dem Induktionsprinzip und unter Verwendung eines Dauermagneten arbeiten die magnetischen Mikrofone, bei denen lediglich eine Umkehrung derart erfolgt, daß die Spule feststehend ist und die Membran mit ihrer Bewegung die Eigenschaften des magnetischen Kreises steuert. Kondensatormikrofone nach dem Niederfrequenzprinzip arbeiten mit Hilfe eines elektrischen Feldes. Als Elongationsempfänger ist die von ihnen angegebene Spannung der Auslenkung und nicht der Geschwindigkeit der Membran proportional.

Über Jahrzehnte hinweg wurde das elektrostatische Feld über eine äußere Gleichspannungsquelle bereitgestellt. Seit einigen Jahren stehen mit den Elektretmaterialien "eingefrorene" Felder zur Verfügung. Der Elektreteffekt ist selbst zwar seit langem bekannt, jedoch sind erst in jüngerer Zeit genügend stabile Materialien für ein dauerhaftes Feld gefunden worden.

Kristallmikrofone haben sich lange einer weiten Verbreitung erfreut. Durch piezoelektrischen Effekt erzeugen sie ihre Spannung je nach der Verformung durch das äußere Schallfeld. Ursprünglich verwendetes natürliches Material wurde bald durch stabileres piezokeramisches Material ersetzt. Für Mikrofone kommt das Wandlerprinzip nur noch selten zur Anwendung, jedoch wird es noch häufig bei preiswerten Tonabnehmersystemen eingesetzt.

Das Hochfrequenz-Kondensatormikrofon

In der Gruppe der aktiven Wandler steht als erstes das Hochfrequenz- Kondensatormikrofon. Je nach Auslenkung der Membran durch das Schallfeld ändert es seine Impedanz in einem elektrischen Kreis, der von einem Hochfrequenzgenerator gespeist wird.

Das Pendant zum Hochfrequenz-Kondensatormikrofon auf der Niederfrequenzseite ist das altbewährte Kohlemikrofon, dessen Impedanzänderung im gleichstromgespeisten Kreis oft als "zum Prinzip erhobener Wackelkontakt" bezeichnet wurde.

Nicht explizit ersichtlich im Bild 1 ist ein Mikrofontyp, der voraussichtlich in Zukunft größere Bedeutung erhalten wird. Es handelt sich dabei um piezoelektrische Wandler auf der Basis organischer Folien.

Diese "Piezopolymer"-Wandler gehören in die Gruppe mit "innerer Polarisationsspannung", in der bisher nur das Kristallmikrofon verzeichnet ist. Bei diesen Folien bilden die Moleküle einen mehr oder weniger kristallinen Aufbau. Das Wandlerprinzip vereinigt die Vorzüge hoher Empfindlichkeit mit denen großer Kapazität und Bruchsicherheit. Serienprodukte nach diesem Prinzip gibt es derzeit nur als Kopfhörer.
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3. Bei Rundfunk und Fernsehen eingesetzte Wandlerprinzipien:

Aufgrund ihrer Qualitätsmerkmale sind bei Hörfunk und Fernsehen praktisch nur dynamische und kapazitive Mikrofone im Einsatz. Bei dynamischen Mikrofonen schätzt man die Robustheit, die oft problemlose Handhabung und die Unabhängigkeit von Speisequellen.

Kondensatormikrofone werden eingesetzt, wo es auf gegenüber dynamischen weiter gesteigerte Aufnahmetreue ankommt oder wo Sonderausführungen mit dem dynamischen Prinzip nicht mehr zu verwirklichen sind.

3.1 Dynamische Mikrofone

Bild 2

Bild 2 zeigt eine Auswahl dynamischer Mikrofone, wie sie bei Rundfunkstationen im Einsatz sind. Es handelt sich dabei ausschließlich uro Mikrofone, die entweder in der Hand gehalten oder von einem Stativ aus verwendet werden.

Das MD 21 von Sennheiser

Das MD 21 von Sennheiser electronic ist nun seit etwa 20 Jahren als problemloses Mikrofon vor allem bei Außenübertragungen und Reportagen im Einsatz. Aufgrund seiner Kugelcharakteristik können auch ungeübte Moderatoren damit umgehen, ohne daß dem Tontechniker am anderen Ende der Mikrofonleitung Kummer bereitet wird.

Sinnvoller Einsatz von Mikrofonen mit einseitiger Richtwirkung bringt ÜbertragungsVerbesserungen, erfordert aber ein gewisses Minimum an Mikrofonpraxis.

Das MD 421 von Sennheiser

Das MD 421 von Sennheiser ist ebenfalls seit zwei Jahrzehnten als Richtmikrofon in der Praxis bewährt. Die Verwirklichung höher gesteckter Qualitätsziele stellt bei Sennheiser das MD 441 dar, das einen erweiterten Übertragungsbereich bei schlankerer Bauform und höherer Körperschalldämpfung aufweist. Zehn schaltbare Frequenzgänge sind eine Besonderheit dieses Mikrofons. Von einem anderen Hersteller wurde die Verwirklichung einer größeren Übertragungsbandbreite durch die Wahl je eines Systems für den unteren und für den oberen Teil des Übertragungsbereichs angestrebt.

Das D 202

Bild 3
Bild 4

Das D 202 ist ein klassisches Beispiel für ein derartiges Zweiwegmikrofon. Eine noch schlankere Bauform zeigt das ebenfalls mit zwei Wandlerkapseln bestückte D 224.

Das Richtmikrofon M 201 eines dritten Herstellers dagegen arbeitet wieder mit einem einzigen System.

Das Bild 3 zeigt eine Gegenüberstellung zweier um mehr als 20 Jahre auseinanderliegender dynamischer Mikrofone. Viel Entwicklungsarbeit beim MD 441 war nötig, um neben anderen Eigenschaften die anscheinend geringfügige Verbesserung des Übertragungsverhaltens gegenüber dem MD 2 zu erzielen.

3.2 Kondensator-Mikrofone

Die zweite große Gruppe der Mikrofone im Rundfunkbereich stellen die Kondensator-Mikrofone dar. Einige Beispiele zeigt Bild 4.

Von einem Hersteller sind dargestellt die Typen C 4l4 und die Kapsel CK 1 mit dem zugehörigen Schaft aus dem Modulprogramm. Ein anderer Hersteller bietet das Stabmikrofon KM 85 sowie das 1973 zur Funkausstellung erstmals gezeigte Solistenmikrofon KMS 85 an.

Die beiden aus dem Sennheiser-Programm gewählten Mikrofone sind das Sprechermikrofon MKH 405 und das kurze Richtrohr MKH 4l5.

3.2.1 Arten von Kondensator-Mikrofonen

Bild 5
Bild 6

Die im Bild 4 dargestellten Mikrofone stellen zwei Verwirklichungen des kapazitiven Wandlerprinzips dar. Die Mikrofone der meisten Hersteller arbeiten nach dem Niederfrequenzprinzip. Bei diesem Prinzip wird von der Gesetzmäßigkeit Gebrauch gemacht, daß bei einem Kondensator konstanter Ladung sich die Spannung in Abhängigkeit vom Abstand der beiden Elektroden ändert.

Diese Abstandsänderung ist wieder eine Folge des Schalldruckes auf die Membran. Bei den Niederfrequenz-Mikrofonen klassischer Bauart wird die konstante Ladung durch eine Vorspannung über einen hohen Ladewiderstand erzeugt (Bild 5).

Die Änderung des Abstandes zwischen Membran und Gegenelektrode mit dem auftreffenden Schall bedeutet eine Änderung der Kapazität. Diese wiederum führt zu einer Änderung der elektrischen Impedanz, wenn die Kapsel in einem Wechselstromkreis eingesetzt ist. Diese Impedanzänderung ist Ausgangspunkt der Verwendung nach dem Hochfrequenzprinzip.

Bei der im Bild 6 dargestellten Prinzipschaltung arbeitet die Mikrofonkapsel M zusammen mit dem Widerstand als schalldruckabhängiger Spannungsteiler für die Hochfrequenzspannung des Generators H. Nach Gleichrichtung durch die Diode D kann an der Parallelschaltung des Lastwiderstandes und des Ladekondensators eine dem akustischen Signal proportionale niederfrequente Wechselspannung abgenommen werden.

Hochfrequenz-Kondensatormikrofone der Firma Sennheiser

Bei den Hochfrequenz-Kondensatormikrofonen der Firma Sennheiser ist das Prinzip insofern verfeinert, als sich die Mikrofonkapsel in einem Phasenmodulationskreis befindet. Die Demodulation erfolgt dann durch Phasenvergleich mit dem Oszillatorsignal. Damit lassen sich überaus niedrige Rauschwerte erreichen.

Die bei der klassischen Niederfrequenzschaltung vorhandene Polarisationspannung für die Kapsel, die zum Aufrechterhalten der konstanten Ladung dient, entfällt beim Elektretprinzip. Es arbeitet aber im übrigen genau wie das vorgenannte Niederfrequenz- Kondensatormikrofon.
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Bild 7

Der oft an Elektretmikrofonen hervorgehobene niedrige Preis ist weniger eine Folge des Elektretprinzips als der Tatsache, daß diese Niedrigpreis-Mikrofone in elektroakustischer Hinsicht nicht auf Spitzenleistung hin entwickelt wurden und auch überwiegend aus Ländern mit niedrigem Lohnniveau kamen.

Die Abb. 7 zeigt Mikrofonmodule deutscher Produktion von Sennheiser, aus denen sich unter Verwendung ein und desselben Schaftes drei Mikrofontypen unterschiedlicher Richtcharakteristik zusammenstellen lassen.

3.2.2 Spannungsversorgung

Bild 8

Kapazitive Wandler besitzen überwiegend einen hohen Innenwiderstand. Sie benötigen daher in unmittelbarer Nähe der Kapsel aktive Verstärker-Stufen und damit auch Speiseleistung.

Die Speisespannung dient ausschließlich zur Versorgung der Halbleiter, wenn das Elektretprinzip verwendet wird (Bild 8). Spannungs- und Strombedarf derartiger Mikrofone sind so gering, daß sie überwiegend aus einer eingebauten Batterie auf lange Zeit versorgt werden können.

Bei sonstigen Niederfrequenz-Kondensatormikrofonen und auch Hochfrequenz- Kondensatormikrofonen ist der Einbau einer Gleichspannungsquelle weniger sinnvoll und verbreitet. Fernspeisung wird hier bevorzugt.

In der Vorkriegszeit wurden wegen der damaligen Röhrentechnik für die notwendigen Speisespannungen gegenüber den Tonfrequenz führenden Leitern getrennte Adern verwendet. Die Halbleitertechnik brachte den Fortfall des Heizstroms der Röhrentechnik und eröffnete damit die Möglichkeit, mit den gleichen Leitungstypen auszukommen wie sie für dynamische Mikrofone verwendet wurden.

Tonaderspeisung

Bild 9

Die erste Verwirklichung dieser Technik wurde mit der Tonaderspeisung angeboten, die auch bald nach DIN 45595 genormt wurde (Bild 9).

Bei dieser völlig erdfreien Schaltungstechnik benutzt der Speisestrom für Hin-und Rückweg die beiden Tonfrequenz führenden Adern, die wiederum gegenüber dem Erdpotential streng symmetrisch aufgebaut, sind.

Phantomspeisung

Bild 10

Die später nach DIN 45596 genormte Phantom- speisung (Bild 10) arbeitet ebenfalls hinsichtlich der Niederfrequenz erdsymmetrisch, ist aber beim Speisestrom nicht erdfrei, da die Hinleitung jeweils des halben Stromes über die beiden Tonadern und die Rückführung über den Schirm erfolgt.

Um bei leichter Unsymmetrie mögliche Einstreuungen zu vermeiden, werden oft Verriegelungen des Speisezweiges durch elektronische Längswiderstände oder ähnliche Maßnahmen ausgeführt.

Der Vorteil der Verwendung gleicher Leitungen für dynamische und Kondensatormikrofone bei Anwendung einer der beiden genannten Zentralspeisungen läßt sich nicht ganz gefahrlos nutzen.

Da der Speisestrom im allgemeinen beträchtlich höher als der Signalstrom ist, muß besonders auf einwandfreie Beschaffenheit der Verbindungsleitungen geachtet werden. Kleine Sprünge im Widerstand der Leitungen durch fehlerhafte Einzellitzen im Leiteraufbau können bereits Spannungssprünge über den Speisestrom hervorrufen, die als Geräusche deutlich hörbar werden.

3.2.3 Erzielte Eigenschaften

Für ein Mikrofon gibt es eine ganze Reihe von Beurteilungskriterien. Die technischen Anforderungen sind dabei durchaus je nach Einsatzzweck so unterschiedlich, daß es kein "bestes" Mikrofon gibt, sondern nur jeweils spezielle für den entsprechenden Anwendungszweck besonders gut geeignete.

Eine häufig an erster Stelle stehende Größe ist der Übertragungsbereich der Mikrofone. Hierzu ist zu vermerken, daß es sich bei jedem Wandler um ein schwingungsfähiges System handelt, das mechanisch von den Schallfeldgrößen angeregt wird. Im einfachsten Fall antwortet es ähnlich wie angeregte Schwingkreise.

Die Ubertragungsfunktion wird meist als Leerlauf-Übertragungsfunktion angegeben und stellt die Spannung dar, die das Mikrofon in Abhängigkeit von der Frequenz bei konstantem Schalldruck abgibt. Es handelt sich dabei um die reine Amplitudencharakteristik.

Übertragungsbereich und Übertragungsgrenzen

Bild 11

Die Abb. 11 ist eine Auswertung der oberen und unteren Grenzen des Übertragungsbereichs von dynamischen Mikrofonen.

Die Angabe des Übertragungsbereichs verlangt eine Erklärung. Im Gegensatz beispielsweise zur Angabe bei Verstärkern kann daraus kein bestimmter Abfall der Übertragungsfunktion gegenüber einem Mittelbereich entnommen werden. Der zweckmäßige Frequenzgangverlauf eines Mikrofons ist nämlich nicht in jedem Fall konstant in einem weiten Frequenzbereich.

Daher gibt der vom Hersteller genannte Übertragungsbereich im allgemeinen nur die Grenzen an, in denen die Nutzung des Mikrofons sinnvoll ist und in denen bestimmte Toleranzen garantiert werden (DIN 45590).

Dies erklärt auch, weshalb für eine Vielzahl der Mikrofone die untere Übertragungsgrenze sehr niedrig bei 30 Hz und die obere äußerst hoch bei 20 kHz liegt. Der Abfall der Übertragungsfunktion kann durchaus 10 dB oder mehr an diesen Grenzen betragen.

Die Herstellerangaben

Bild 12

Eine für Kondensatormikrofone ebenfalls nach Herstellerangaben ausgewertete Verteilung (Bild 12) zeigt daher gegenüber Bild 11 nicht die Unterschiede, die der Praktiker eventuell erwartet. Zwar zeichnet sich deutlich ab, daß der Übertragungsbereich nach oben im allgemeinen gegenüber dynamischen Mikrofonen erweitert ist, jedoch reicht er scheinbar nicht soweit nach unten wie bei der Mehrzahl der dynamischen Mikrofone.

Sieht man sich allerdings die Kurven an, die den Angaben zugrunde lagen, so wird sofort ersichtlich, daß die meisten Kondensatormikrofone im unteren Frequenzbereich erheblich weniger abfallen als die dynamischen Mikrofone.

Die untere Übertragungsgrenze ergibt sich daher nicht nur aus einer anderen Bewertung, sondern oft auch aus den Meßmöglichkeiten, die unterhalb von 40 Hz nur noch an wenigen Stellen einwandfrei gegeben sind. Hinzu kommt, daß oft bewußt in einem Gebiet unterhalb etwa kö Hz das Ausgangssignal abgesenkt wird, um vielfältige Störungen fern zu halten. Vom Prinzip her weisen Kondensatormikrofone im Durchschnitt den glatteren Frequenzgang und den weiteren Ubertragungsbereich gegenüber dynamischen auf.

Die Übertragungsfunktionen

Die Übertragungsfunktionen liefern im allgemeinen nur eine Amplitudenaussage, jedoch keine Information über den Phasengang des Systems. Hier besteht ein wesentlicher Unterschied zwischen dynamischen und kapazitiven Wandlern.

Dynamische Wandler erhalten im allgemeinen eine Vielzahl von mechanischen Resonanzen, um die Systeme breitbandig genug zu machen, ohne zuviel Empfindlichkeit zu verlieren. Das Auftreten sehr tieffrequenter Resonanzen hat zudem zur Folge, daß kurzzeitige Anregungen oft zu länger dauernden Ausschwingvorgängen führen.

In dieser Hinsicht sind kapazitive Wandler meist überlegen. Ihre Eigenresonanz liegt in der oberen Hälfte des Ubertragungsbreichs. Zusätzliche mechanische Resonanzen werden selten eingebaut. Statt dessen wird eine elektrische Entzerrung vorgenommen.

Kapazitive Wandler besitzen daher im allgemeinen ein besseres Impulsverhalten als dynamische. In diesem Impulsverhalten wird ein Grund für das trotz ähnlichen Amplitudengangs oft unterschiedliche Klangbild gesehen.

Der Feld-Leerlaufübertragungsfaktor

Neben dem Übertragungsbereich steht in vorderster Linie der technischen Daten die von einem Mikrofon angegebene Spannung bei einem festen Schalldruckbezugspegel. In vielen Ländern ist sie als Angabe des Feld-Leerlaufübertragungsfaktors üblich.

Während sie früher auf den Schalldruck 1 ubar bezogen wurde, gilt nach neuester Norm der Bezug auf den l0fachen Schalldruckwert, der heute als 1 Pascal bezeichnet wird.

Bei dynamischen Mikrofonen ist der Übertragungsfaktor stark von der magnetischen Flußdichte im Luftspalt, der Leiterlänge, der Membranfläche und den mechanischen Eigenschaften des schwingungsfähigen Systems abhängig.

Gute breitbandige Mikrofone weisen Übertragungsfaktoren von ca. 2 mV/Pa bei einer Impedanz von 200 Ohm auf. Als Meßfrequenz kommt im allgemeinen 1 kHz infrage. Die Werte werden im freien Schallfeld bei Beschallung in 1m Abstand ermittelt.

Die von Kondensatormikrofonen angegebene Wechselspannung ist beim Niederfrequenzsystem sowohl von der Polarisationsspannung als auch von der Kapazitätsänderung über die mechanische Empfindlichkeit abhängig.

Der Übertragungsfaktor

Beim Hochfrequenzprinzip spielen neben den mechanischen Eigenschaften andere elektrische Größen, z.B. die Steilheit der Demodulatorkennlinie eine Rolle. Wegen der stets vorhandenen Zusammenschaltung mit einer aktiven Stufe ist die Angabe der reinen Kapselempfindlichkeit bei kapazitiven Wandlern von nachgeordneter Bedeutung.

Die für Kondensatormikrofone angegebenen Werte für den Übertragungsfaktor liegen im allgemeinen 5-10mal höher als bei dynamischen Mikrofonen vergleichbarer Impedanzen. Aufgrund der aktiven Schaltung hat man allerdings sehr viele Möglichkeiten, das Ausgangssignal in seiner Größe zu beeinflussen.

Aus praktischen Gründen, z.B. einer optimalen Aussteuerung bei den gegebenen Betriebsspannungen oder einer günstigen Lage zum Eigenrauschen ergibt sich jedoch der angegebene Empfindlichkeitsbereich.
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Das Eigenrauschen

Wenn soeben das Eigenrauschen angesprochen wurde, so ist dies eine Größe, die nicht in jedem Datenblatt zu finden ist. Für dynamische Mikrofone liegt das Eigengeräusch in einem ziemlich engen Bereich. Es setzt sich zusammen aus dem Rauschen des Ersatzwiderstandes für das Schallfeld, dem Wärmerauschen der Spulenwicklung und einigen anderen Effekten, wie z.B. dem Rauschen akustischer Dämpfungen sowie des Magnetmaterials.

Ein Widerstand von 200 Ohm weist nach der Wärmetheorie bei Zimmertemperatur und einer betrachteten Bandbreite von 20 kHz eine Rauschspannung von ca. 0,25 uV auf. Bezogen auf eine Empfindlichkeit von 2 mV/Pa ergibt dies unbewertet einen äquivalenten Schalldruckpegel von 17 dB bezogen auf die Hörschwelle von 20 uPa.

Unter Einrechnung aller anderen Einflußgrößen und in der bewerteten Messung nach DIN 45405 erhält man allerdings einen Wert von ca. 26 dB.

Zur Messung des Eigengeräusches ist darauf hinzuweisen, daß die unterschiedlichen Meßverfahren auch stark abweichende Werte ergeben.

Während in der deutschen DIN 45405 mit einer Bewertungskurve gemessen und außerdem die Spitzenspannung ermittelt wird, sind viele ausländische Angaben auf A-bewertete Messung und Effektivwertanzeige bezogen. Beide Messungen ergeben im Vergleich je nach Charakteristik des Rauschspektrums Differenzen bis zu 6-8 dB zuungunsten der DIN-Messung. Dies sollte unbedingt beachtet werden, wenn Geräuschspannungsangaben miteinander verglichen werden.

Zur internationalen Situation ist zu bemerken, daß eine Neufassung der CCIR 468 bevorsteht, an die sich auch die DIN 45405 anlehnen wird und die eine Bewertungskurve ähnlich der bisherigen vorsehen wird.
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Bild 13
Bild 14
Bild 15

Unter Berücksichtigung des Meßverfahrens nach DIN 45405 entstand nach Herstellerangaben und eigenen Messungen die Auswertung nach Bild 13. Sie zeigt für 32 Mikrofone eine Streuung des Eigengeräusches zwischen 20 und 32 dB.

Die niedrigsten Werte werden dabei zur Zeit von den Hochfrequenz-Kondensatormikrofonen erzielt, während die höchsten Werte im allgemeinen von Mikrofonen sehr kleiner Bauart, meist Ansteckmikrofonen, stammen.

Große Bedeutung erlangt ein niedriges Eigengeräusch vor allem dort, wo das aufzunehmende Signal einen niedrigen Pegel besitzt, z.B. bei Sprecheraufnahmen in größerem Abstand (Filmproduktion u.ä.). Für laute Schallereignisse in unmittelbarer Nähe des Mikrofons spielt die obere Aussteuerungsgrenze eine wesentliche Rolle.

Im Bild l4 ist ihre Verteilung über 24 ausgewählte Kondensatormikrofone hin angegeben. Es handelt sich hierbei durchweg um Angaben, die sich auf einen bestimmten Klirrfaktor der Schaltung beziehen, meist 0,5%. Während früher im allgemeinen die Schaltung als der Engpaß der oberen Aussteuerungsgrenze angesehen wurde, kommt bei Schalldrücken von 130 dB und mehr durchaus auch der Klirrfaktor der Kapsel selbst ins Spiel. Bei hochaussteuerbaren Mikrofonen sind sowohl Schaltungs- als auch Kapselklirrfaktor gering gehalten. Als Vergleichswert mag angegeben werden, daß eine Trompete in ca. 20cm Abstand bei starkem Anblasen einen Schalldruck von ca. 120 dB erzeugt.

Die Differenz zwischen Aussteuerungsgrenze und Eigenrauschen stellt ein Maß für den Dynamikbereich der Mikrofone dar. Bei modernen Kondensatormikrofonen liegt diese Differenz bei 100-120 dB (Bild 15). Dynamische Mikrofone erreichen ebenfalls diese Werte. Natürlich ist dieser Bereich nicht im vollen Umfang nutzbar, da am unteren Ende noch ein gehöriger Abstand zum Eigenrauschen eingehalten werden muß. Je nach Qualitätsanforderung reduziert sich daher der Bereich um 40-60 dB.

Das Richtverhalten und der Bündelungsfaktor

Nachdem bisher Frequenzgang, Ubertragungsfaktor und Dynamik beleuchtet (betrachtet) waren, verdient auch das Richtverhalten der Mikrofone einige Bemerkungen.

In Bild 16 (Tabelle) sind einige Daten für Wandler angegeben, die sich auf die einfachste Form des Gradientenwandlers zurückführen lassen. Der Bündelungsfaktor gehorcht dabei der in der oberen Zeile angegebenen Funktion des Winkels.

Aus diesem Bündelungsfaktor errechnet sich nach DIN 45591 der Bündelungsgrad. Der angegebene Übergang von der Achter-Charakteristik bis zur Kugel kann auch aufgefaßt werden als Ergebnis der Zusammenschaltung einer Kugel und einer Niere mit stetig veränderten Anteilen, die durch den Parameter a. gegeben sind.
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Bild / Tabelle 16


In der ersten Spalte ist der Typ der Mikrofoncharakteristik angegeben. Die zweite Spalte enthält den bereits definierten Bündelungsgrad. In der dritten Spalte ist der Winkel angegeben, bei dem nach der Theorie kein Ausgangssignal vorliegt und damit eine unendlich hohe Auslöschung gegeben ist. Die vierte Spalte stellt das Verhältnis des Signals aus dem vorderen Halbraum zum Gesamtraumsignal dar. In der nächsten Spalte ist das Verhältnis vorderer Halbraum zu hinterem Halbraum angegeben, das beispielsweise bei Achter- und Kugelcharakteristik natürlich den Wert 1 annimmt. Das Vor-Rück-Verhältnis findet man in Spalte 6.

Die Bündelungsfaktoren unter 90° und l80° sind in den beiden letzten Spalten aufgeführt. Die vier angegebenen Zwischenstadien zwischen Acht und Kugel ergeben sich nach Rettinger und einer Definition des Hauses Sennheiser aus bestimmten Extremwertforderungen.

Die Hypercardioide und die Supercardioide

Die Hypercardioide ist das Ergebnis höchsten Bündelungsgrades. Die bei Sennheiser definierte "Superniere" hat als Hintergrund den Wunsch nach gleichwertiger Auslöschung unter 90° und 180°.

Die Supercardioide liefert den größten Schallaufnahmeanteil im vorderen Halbraum, während die Cardioide das höchste Vor-Rückverhältnis aufweist.

Die Anwendungskriterien für die einzelnen Richtcharakteristiken ergeben sich aus der akustischen Aufgabenstellung am Aufnahmeort.

Erschütterungen und Körperschall

Bild 17

Eine wichtige Größe für die Nutzbarkeit von Mikrofonen ist deren Empfindlichkeit gegenüber anderen Anregungen als denen des Schallfeldes.

Die schwingungsfähigen Systeme reagieren nicht nur auf den Schalldruck, sondern leider auch auf Erschütterungen am Mikrofongehäuse. Je nach ihrer spektralen Lage kann man sie grob unterteilen in tieffrequenten Körperschall durch Handhabung oder höherfrequenter Reibegeräusche.

Entsprechend den Gesetzen der Mechanik sind besonders die gegenüber den Kondensatormikrofonen schweren Systeme der dynamischen Mikrofone gefährdet. Anhand eines Schnittbildes durch das MD 44l kann man sehen, welcher Aufwand in der Lagerung zur Behebung solcher Störmöglichkeiten getrieben wird (Bild 17).

4. Einsatzproblem und Mikrofonwahl

Die Wahl des richtigen Mikrofons hängt von vielen Kriterien ab. Allgemein gültige Rezepte können praktisch nicht gegeben werden, jedoch können einige wichtige Gesichtspunkte herausgegriffen werden, unter denen Mikrofone mit speziellen Eigenschaften zum Einsatz kommen.

4.1 Einfluß des Aufnahmeortes

Die unterschiedlichen Arbeitsbedingungen im Studio und dem Außeneinsatz sind von Einfluß auf die Wahl des Mikrofons. Während Größe, Gewicht und Speiseprobleme im ständig betriebsfähigen Studio von untergeordneter Bedeutung sind, spielen sie gerade bei Außeneinsatz häufig eine entscheidende Rolle. Man braucht nur an das Fluggepäck von Filmteams und an die Beschaffungsprobleme von Batterien zu denken, um Unterschiede in den Anforderungen zu erkennen.

4.2 Mikrofone in fester Installation

Feste Installationen sind beispielsweise in Sendesälen und Hörfunkstudios zu finden. In reinen Sprecher- oder Musikstudios sind häufig großvolumige Standardmikrofone zu finden. Kleinmikrofone wie das MKH 405 z.B. erscheinen dagegen im Bild beim Sprechertisch des Nachrichtensprechers der ARD.

Für Sonderaufgaben im Hörspiel kommt inzwischen auch die Kunstkopfaufnahmetechnik zur Anwendung. Ihre Stärke liegt in der Wiedergabe des räumlichen Erlebnisses in einer bisher nicht gekannten Form beim Abhören über Kopfhörer.

Für Bühnenanlagen ergibt sich meist eine große Entfernung zwischen Sprecher und Mikrofon. An Angel oder Galgen eingesetzte Mikrofone oder aufgehängte Rohrrichtmikrofone wie z.B. das MKH 8l5 werden hier erfolgreich eingesetzt.

4.3 Bewegliche Ausrüstung

Bild 18
Bild 19
Bild 20-1
Bild 20-2

Je nach Aufgabenstellung kommt auch bei beweglicher Ausrüstung eine Vielfalt von Mikrofontypen zum Einsatz.

Bei Musikproduktionen werden sowohl dynamische als auch Kondensatormikrofone eingesetzt. Dynamische Mikrofone findet man oft dort, wo z.B. Gesangsgruppen ihren speziellen "Sound" unter Verwendung besonderer Musikermikrofone, z.B. des MD 416 (Bild l8) erarbeitet haben. Daneben kommen natürlich für die Instrumentalaufnahme bewährte, klangverfärbungsfreie Kondensatormikrofone zum Einsatz.

Bei Fernseh-und Filmproduktionen ist die Situation der entfernten Mikrofone vergleichbar der bei Bühnenanlagen. Entsprechend werden auch hier Rohrrichtmikrofone vom Galgen oder Angelmikrofone eingesetzt.

Eine Möglichkeit, das Mikrofon an den Sprecher heranzubringen, besteht in der Wahl kleiner Ansteckmikrofone. Als kapazitive Wandler lassen sie sich sehr klein ausführen und im allgemeinen sehr gut kaschieren.

Das Mikroport

Eine noch größere Beweglichkeit als mit leitungsgebundenen Ausführungen erhält man durch die Zusammenfassung eines derartigen Ansteckmikrofons mit einem Sender zu einem drahtlosen Mikrofon (Bild 19).

Drahtlose Mikrofone erweisen sich aber nicht nur als Kombination von Miniaturmikrofon und Taschensender von Nutzen, sondern sie werden auch deutlich sichtbar in ähnlicher Bauform wie normale Mikrofone gern eingesetzt.

Auch für den Reportagedienst haben sich sowohl dynamische als auch Kondensatormikrofone durchgesetzt. Im Gespräch zwischen Interviewer und Befragten werden häufig Mikrofone wie das MD 421 eingesetzt.

Kommentatoren bedienen sich oft dynamischer Lavaliermikrofone. Ebenfalls für das Reportagegespräch eignet sich ein kurzes Richtrohr sehr gut, wenn man im Umgang damit geübt ist (Bild 20).

Auch hier kann natürlich drahtlose Technik angewendet werden. Durch den Einsatz, von Reportagesendeiü hoher Leistung können größere Entfernungen überbrückt werden.

5. Ausblick (- das alles war der Stand von 1976 !!)

Mikrofone für Hörfunk und Fernsehen haben heute einen derart hohen Qualitätsstand erreicht, daß praktisch für jeden Anwendungszweck geeignete Typen zur Verfügung stehen. Revolutionäre Neuerungen sind derzeit nicht zu erwarten, wohl aber stetige Verbesserungen einzelner Eigenschaften. Diese Verbesserungen sind nur noch in kleinen Schritten möglich.

Von den Wandlerprinzipien her kann sich auf dein Gebiet der Kondensatormikrofone eine gewisse Verlagerung im Hinblick auf die polarisationsspannungslosen Elektretmikrofone ergeben, eventuell sind in fernerer Zeit auch Mikrofone auf Basis der Piezopolymere zu erwarten.

Weitere Verbesserungen an den Mikrofonen müssen Hand in Hand gehen mit einer Steigerung der Leistungsfähigkeit aller anderen in der Übertragungskette beteiligten Bausteine, da sie nur dann voll ausgenutzt werden können.

Literatur

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  • Bore, Gerhart, Die Aufnahme hoher Schalldrücke mit Kondensator-Richtmikrofonen, Bericht 9. Tonmeistertagung, 26.-29. 10.72, Köln, S. 164-171
  • Bore, Gerhart, Mikrofone für Studio-und Heimstudio, Anwendungen, Taschenbuch der Unterhaltungselektronik 1973/197/1, Schiele
  • 8c Schön, S. 35-100
  • Griese, H.-J., Kondensator-Mikrofone der Studiotechnik, Fernseh-und Kinotechnik 24, Berlin 1970, S. 369-372
  • Griese, H.-J., Die Entwicklung der dynamischen Mikrofone in den letzten 25 Jahren, FUNK-TECHNIK 25, 1970, S. 4l3-4n6

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gez. E. Werner (1976)

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