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05 Zwei Jahre Kugelflächenmikrofon

Dieser Aufsatz entspricht inhaltlich einem Vortrag, der auf der 17. Tonmeistertagung 1992 gehalten wurde.

Das Kugelflächenmikrofon kann der „Trennkörperste­reofonie“ zugeordnet werden (Aufsatz 1). Es beinhaltet gleichzeitig Merkmale des „Kunstkopfs“. Seine Besonder­heiten werden im folgenden Aufsatz beschrieben.
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Das Kugelflächenmikrofon

Das Kugelflächenmikrofon ist ein neuartiges Stereo­mikrofon, das als Hauptmikrofon, also je nach Umstän­den auch ohne Stützmikrofone, eingesetzt werden kann. Es handelt sich um eine schallharte Kunststoff-Hohlkugel mit 20cm Durchmesser, die innen akustisch bedämpft ist. Symmetrisch zur vertikalen Achse sind elektrostatische Druckempfänger bündig eingelassen.

Ferner enthält die Kugel einen stereofonen, phantom­gespeisten lmpedanzwandler („Verstärker“). Er schaut nur mit seinem 5-poligen XLR-Stecker heraus. Eine mittig eingebaute LED erleichtert die Ausrichtung des Mikrofons auf das Zentrum des Schallereignisses.

Das Mikrofon wurde so entwickelt, dass es genau definierten Forderungen entspricht /1/, /2/.
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Historie

Koinzidente Mikrofone und die AB-Technik können als Extreme der stereofen Aufnahmeverfahren angesehen werden. Dazwischen befinden sich Mikrofonanord­nungen, die in vorteilhafter Weise sowohl Pegel­- (ΔL) als auch Laufzeitunterschiede (Δt) nutzen /3/. Ein klassischer Vertreter dieser Mikrofone ist das „ORTF-Mikrofon“, das mit zwei Nieren im Abstand 17cm und mit einem eingeschlossenen Winkel von 110° zwischen deren Hauptachsen arbeitet /4/.

Trotz beachtlicher Erfolge dieses Mikrofons gab es aber immer wieder den Wunsch, mit elektrostatischen Druckempfängern in ähnlicher Weise aufnehmen zu können. Sie allein können selbst tiefste Frequenzen ungeschwächt übertragen, wie digitale Geräte es heute auch besonders unproblematisch erlauben.

Die übliche Methode sind dann AB-Aufnahmen mit Abständen von 50cm und mehr zwischen den Mikro­fonen (Aufsatz 3). Der bekannte Nachteil besteht in der allgemein weniger guten Lokalisation der Schall­quellen bei der stereofonen Wiedergabe /5/.

Um diesbezüglich eine Verbesserung zu schaffen, wurden schon Jahrzehnte zuvor Mikrofone mit Kugel­charakteristik durch akustische Hindernisse getrennt, wenn sie, einer kleinen Laufzeit entsprechend, in Ab­ständen bis maximal 30cm voneinander eingesetzt wurden. Der Verfasser nennt diese Art der Aufnahme­technik „Trennkörperstereofonie“. Es bestehen prinzi­pielle Ähnlichkeiten mit Kunstköpfen.
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Aus der Vielzahl verschiedener Modelle zeigen die folgenden Abbildungen einige, die besonders bekannt wurden. Dazwischen finden sich, chronologisch ange­ordnet, weitere Systeme ohne Bild. Die genannten Jahreszahlen geben ungefähr an, wann die ersten Ver­suche bekannt wurden.

Mit vielen dieser Anordnungen wurden und werden hervorragende Aufnahmen gemacht, womit wieder einmal bewiesen ist, dass es die allein und immer glücklichmachende Lösung nicht gibt. Dies kann ein Grund sein, weshalb kein Mikrofonhersteller Partei ergreifen wollte und eines dieser Systeme serienmäßig als Stereomikrofon herstellte.

Sofern im Handel erhältliche Druckempfänger zum erwünschten Ergebnis führen, ist es außerdem prak­tischer und vor allem preiswerter, einen geeigneten Trennkörper als Zubehör zu gestalten.
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Der Schritt zu einem neuen Mikrofon

Ein entscheidender Grund gegen ein Serienprodukt war auch darin zu sehen, dass kein Konstrukteur eine seriöse Entwicklung betreiben kann, wenn die zu er­füllenden technischen Bedingungen nicht derart klar formuliert vorliegen, dass sie als Grundlage für ein Pflichtenheft dienen können. Dies ist erst durch G. Theile geschehen /1/, der für das Institut für Rundfunk­technik (IRT) in München arbeitet.

Neben der besonders wichtigen Forderung, dass interaurale Unterschiede, ähnlich denen am mensch­lichen Kopf, von dem Mikrofon übertragen werden sol­len, gilt:

1. Der Frequenzgang auf der stereofonen Hauptach­se, also für Schall aus dem Zentrum des Orchesters, soll konstant (“linear”) sein. Diese Forderung über­rascht natürlich nicht und ist dennoch bereits eine Be­sonderheit! Fast alle Prospektdaten von Stereomikro­fonen weisen nämlich den Frequenzgang eines einzel­nen Wandlers auf seiner Hauptachse aus. Die Kapseln werden im Anwendungsfall aber dominierend von Schall aus anderen Richtungen erreicht.

Oft hört man, dass diesbezüglich ein besonderer Vorteil bei MS-Stereofonie gegeben sei, da immerhin die Kapsel des M-Kanals auf die Mitte des Orchesters gerichtet ist. Leider hat dieses Argument nur Gültigkeit, wenn dann auch nur M, also Mono, übertragen wird. Im Falle der Stereofonie ergeben sich durch die Matri­zierung nämlich gleiche, nach links und rechts gerich­tete Richtcharakteristiken, die oft sogar weniger fre­quenzunabhängig sind als die eines Einzelwandlers.

2. Auch der Frequenzgang im diffusen Schallfeld soll konstant sein. Diese Forderung ist in der Kombination mit ersterer gleichbedeutend mit einem frequenzunab­hängigen Bündelungsmaß in Bezug auf die stereofone Hauptachse, was leider meist nur ein Wunsch bleibt.
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Konsequenzen

Die Problemlösung erfolgte durch eine spezielle Kap­sel, deren Verhalten in der horizontalen und in der vertikalen Ebene unterschiedlich ist. Mit handelsüblichen Mikrofonen waren die beiden Bedingungen nicht gemeinsam zu erfüllen. Die speziel­len Kapseln erforderten ferner einen Entzerrungs-Ver­stärker, so dass die Konstruktion eines eigenständigen Mikrofons sinnvoll und notwendig wurde.

Der Konstruktion der Kapsel waren zahlreiche Ver­suche vorausgegangen, um u.a. folgende Merkmale des Mikrofons zu erarbeiten:

  • 1. Kugeldurchmesser
    Der als günstig ermittelte Kugeldurchmesser beträgt 20cm. Es ist möglich, auch mit etwas kleineren oder größeren Kugeln zu arbeiten, je nachdem, ob der Auf­nahmewinkel größer oder kleiner sein soll.
  • 2. Einbauort der Wandler auf der Kugel
    Diesbezüglich sind verschiedene Stellen denkbar. Gegenüberliegende Punkte, also im Winkel 180° zuein­ander, erlauben eine besonders gute Erfüllung der ein­gangs beschriebenen Forderungen bezüglich Freifeld-und Diffusfeld-Frequenzgang. Darüber hinaus ergibt sich so eine, im Falle des Kugelflächenmikrofons durch­aus vorteilhafte, Vorne/Hinten-Symmetrie.

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Prinzipielle Unterschiede zwischen traditionellen Aufnahmeverfahren und dem Kugelflächenmikrofon

Bei den bekannten Systemen AB, XY, MS, ORTF usw. ist der winkelabhängige Pegelunterschied (ΔL) zwischen den Kanälen ebenso wenig frequenzabhän­gig wie die Polardiagramme der verwendeten Mikro­fone (Abb. 2).

Eine Frequenzunabhängigkeit der Polar­diagramme, wie man sie von guten Mikrofonen meist erwartet, liegt auch allen Theorien zur Aufnahmetechnik und z.B. den Definitionen von Aufnahmewinkeln zu­grunde /11/, /12/, /19/.

Bei allen Konstruktionen der “Trennkörperstereofo­nie” ist dies anders (vgl. Abb. 1 und 3). Bei tiefen Fre­quenzen, deren Wellenlänge deutlich größer ist als die Abmessungen der Trennkörper, tritt auf der dem Schall abgewandten Seite nur eine kleine Abschattung ein, mit entsprechend kleiner lntensitätsdifferenz.

Mit wach­sender Frequenz nimmt die Abschattung zu, und der der Schallquelle zugewandte Wandler nimmt je nach Frequenz und Montageort steigende Pegel auf (Abb. 3). Die Pegelunterschiede werden also größer (Abb. 4).
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Hinsichtlich des von dem Montageort abhängigen Einflusses soll hier nur darauf hingewiesen werden, dass ein Abstand zwischen Mikrofonkapsel und Trenn­körper Kammfiltereffekte zur Folge haben kann. Der bündige Einbau, wie beim Kugelflächenmikrofon, ist die bessere Lösung. Sie erlaubt aber, richtig genom­men, nicht die immer wieder gemachte Annahme, es handele sich dann um ein “Grenzflächenmikrofon”.

Grenzflächenmikrofone erfordern um den Wandler herum eine Fläche, die um ein Vielfaches der Wellen­länge größer sein muss /13/ (Aufsatz 8). Bei den ein­gangs aufgelisteten Systemen ist dies für Frequenzen unter 2kHz sicher nicht der Fall. Dabei hat im Fre­quenzbereich, dessen Wellenlängen etwa den Abmes­sungen entsprechen, die Form des Trennkörpers einen großen Einfluss auf die Frequenzgänge bei unterschied­lichen Schalleinfallswinkeln /14/. Die Kugel stellt dies­bezüglich das Optimum dar.

Die Frequenzabhängigkeit der Pegelunterschie­de bei gegebenem Schalleinfallswinkel und deren Ver­lauf ist mittelbar in der Forderung nach natürlichen interauralen Differenzen enthalten. Man könnte aber auch sagen, dass es beim Kugelflächenmikrofon neben ΔL und Δt im Hinblick auf die Frequenzen einen dritten Unterschied zwischen den Kanälen gibt, nämlich den der Frequenzgänge.

Dieser spektrale (klangliche) Unterschied wächst mit dem Schalleinfallswinkel (Abb. 3), und er besteht na­türlich nur im direkten Schallfeld und für Erstreflexionen.

So spielt der spektrale Unterschied mit wachsendem Abstand zur Schallquelle, bzw. zunehmendem Einfluss des reflektierten (diffusen) Schalls, eine abnehmende Rolle. Die im folgenden zitierte “Tiefenstaffelung” kann so erklärt werden. Tatsächlich ist ein Entfernungshören im schalltoten Raum, also ohne diffuses Schallfeld, unmöglich /15/.
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Praktische Erfahrungen

Die praktische Erprobung ist natürlich von größter Bedeutung, obwohl die Objektivierung individueller Be­urteilungen immer wieder die größten Schwierigkeiten bereitet. Dennoch fiel auf, dass verschiedene Anwen­der unabhängig voneinander fast immer feststellten, dass das Kugelflächenmikrofon einen besonders guten Eindruck räumlicher Tiefe vermittelt.

Als weiterer Vorteil des Kugelflächenmikrofons wurde sehr oft die gute Lokalisation genannt, wie man sie im Zusammenhang mit Druckempfängern kaum kennt. Dazu gesellt sich die schon eingangs angesprochene perfekte Aufnahme selbst tiefster Frequenzen.

Eine Voraussetzung für eine gute Lokalisation ist aber immer, dass die Aufstellung des Hauptmikrofons an einem Ort erfolgt, von dem aus man den gesam­ten Klangkörper innerhalb eines horizontalen Winkels sieht, der dem Aufnahmewinkel des Mikrofons ent­spricht. Nur in diesem Fall sind die Pegel- bzw. Laufzeitunterschiede gerade groß genug, um die am weitesten links und rechts liegenden Schallquellen an den Extrem-Orten der Wiedergabebasis, nämlich den entsprechenden Lautsprechern, zu lokalisieren. Alle anderen Schallquellen können dann entsprechend dazwischen abgebildet werden /11/ (Aufsätze 2 und 3).
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Der Aufnahmewinkel des Kugelmikrofons geht aber nicht aus den bekannten Theorien zu seiner Ermittlung hervor, weil sie alle von frequenzunabhängigen Richtdiagrammen ausgehen. Deshalb muss er in der Praxis ermittelt werden /17/. Er beträgt ca. 90°. Er ist damit relativ klein (ORTF-Mikrofon ca. 95° - 100°) und führt im Rahmen der üblichen Ab­stände zu einer eher entfernten Aufstellung und zur Notwendigkeit einer präzisen Ausrichtung des Mikro­fons auf die Orchestermitte. Die eingebaute Leuchtdio­de leistet deshalb nicht nur bei schwacher Beleuch­tung wertvolle Dienste.

Ein idealer Aufstellungsort und die Vorne/Hinten-Symmetrie des Mikrofons führen oft zur Aufnahme von relativ viel Raumanteilen. Der Raum sollte daher qua­litativ hohen Ansprüchen genügen. Störschall von hin­ten stellt ein Problem dar.

Sowohl der Raumeinfluss als auch die Respektie­rung des Aufnahmewinkels verlieren natürlich an Be­deutung, wenn Stützmikrofone hinzugemischt werden. Beim Kugelflächenmikrofon sollte damit besonders vorsichtig umgegangen werden.

Seine besonderen Merkmale werden schneller ver­deckt als die anderer Hauptmikrofone.

Zu den besonderen physikalischen Merkmalen ge­hört der beschriebene Frequenzgangunterschied zwi­schen den Kanälen, wenn der Schall schrägwinklig ein­fällt. Er kann in speziellen Fällen, wenn der Raumanteil des Gesamtschalls gering ist und, momentan domi­nierend, nur eine Seite des Kugelflächenmikrofons be­schallt wird, zu einem sehr brillanten Klangbild führen. In diesen Fällen empfiehlt es sich, das Mikrofon etwas entfernter aufzustellen, ungeachtet der dadurch hin­sichtlich der Lokalisation etwas mehr zur Mitte zusam­menrückenden Schallquellen.

Es lohnt sich oft, verschiedene Aufstellungsorte des Mikrofons zu erproben. Druckempfänger sind generell “aufstellungsempfindlicher” als z.B. das mit Nieren be­stückte ORTF-Mikrofon. Dies hängt damit zusammen, dass die meisten raumakustischen Probleme tieffre­quenter Natur sind und durch elektrostatische Druck­empfänger ebenso perfekt wie der Ton übertragen werden.

Generell zeigt das Kugelflächenmikrofon klangliche Ähnlichkeiten mit AB-Aufnahmen mit zwei Kugeln. Da­her ist ein Vergleich angebracht. Die Beurteilung hängt wesentlich vom Geschmack und den Hörgewohnhei­ten des Anwenders ab. Wer Lokalisation und deren guten Mitteneindruck sucht, wird das Kugelflächenmi­krofon vorziehen. Wer an AB-Aufnahmen gewöhnt ist, bescheinigt diesen gelegentlich noch etwas mehr Räumlichkeit oder auch “Luftigkeit”, die aber von Kriti­kern schon als “phasiness” (falsche Phasenbeziehun­gen können erkannt werden) abgewertet wurde /5/.

Nach dem bisher Gesagten kann der Eindruck ent­stehen, dass das Kugelflächenmikrofon speziell für die Aufnahme von Konzerten und als Hauptmikrofon geeignet ist. Dies ist richtig, aber es muss erwähnt werden, dass es auch sehr positive Erfahrungen aus dem Bereich der Wortproduktion (insbesondere Hör­spiel) gibt. Bei Wiedergabe über Kopfhörer ergibt sich ein Eindruck, der starke Ähnlichkeit mit Kunstkopfüber­tragungen hat. Eine Lokalisation in der Medianebene würde allerdings Ohrmuschelnachbildungen erfordern /16/. Die größte Besonderheit bleibt die plastische Wieder­gabe auch über Lautsprecher.
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Zweifel am Kugelflächenmikrofon?

Beim Versuch das stereofone Hören allein mit Pegel- und Laufzeitdifferenzen zu erklären, kann man Zweifel an der Technik des Kugelflächenmikrofons bekommen. Bei tiefen Frequenzen liefert es kaum noch Pegelunterschiede und die Laufzeit ist auch klein. Außerdem ist jeder Kanal für sich ein Mikrofon mit einer extremen Frequenzabhängigkeit der Richtcharakteristik, bei den Tiefen Kugel und zunehmende Richtwirkung zu den Höhen. Das bedeutet allgemein ein verfärbtes Klangbild.

Vielleicht ist das Kugelflächenmikrofon aber auch das einzige wirkliche Stereomikrofon? Alle anderen Hauptmikrofone sind doch nur die Kombination von zwei Monomikrofonen. Einen Kanal alleine sollte man allerdings nicht anhören, erst die Summe von links und rechts ergibt im Schallfeld den guten Eindruck, der einige Spezialisten zu richtigen Jüngern des Kugelflächenmikrofons gemacht hat /18/. Immer wieder kommt von völlig unabhängigen Nutzern der bereits erklärte Kommentar, das Mikrofon würde eine ungewohnt gute Abbildung der Tiefenstaffelung vermitteln.
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Literaturverzeichnis:

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  1. G. Theile, Das Kugelflächenmikrofon, in: Bericht zur
    14. Tonmeistertagung 1986, Bildungswerk des Ver­bands Deutscher Tonmeister, S. 277 - 293
  2. S. Geyersberger, Das Kugelflächenmikrofon – ein neues Stereo-Hauptmikrofon, in: Bericht zur 16. Tonmeistertagung 1990, Bildungswerk des Ver­bands Deutscher Tonmeister, S. 684 - 689
  3. G. Theile, Hauptmikrofon und Stützmikrofone – neue Gesichtspunkte für ein bewährtes Aufnahme­verfahren, in: Bericht zur 13. Tonmeistertagung 1984, Bildungswerk des Verbands Deutscher Ton­meister, S. 170 - 184
  4. A. Laracine, Institut National d´ Audiovisuel, These, 1966
  5. S.P. Lipshitz, University of Waterloo, Ontario, Cana­da, Stereo Microphone Techniques: Are the Purists Wrong?, AES preprint 2261 (D-5) oder in: J. Audio Eng. Soc. , Vol. 43, no. 9, 1986
  6. A. Charlin, Techniques Phonographiques – La Compatibilité, in: Toute l’Electronique, Novembre 1965, S. 468 - 471
  7. J. Jecklin, A Different Way to Record Classical Music, in: J. Audio Eng. Soc., 29, 1981, S. 329 ­332
  8. A. Defossez, Stereophonic Pickup System Using Baffled Pressure Microphones, in: Audio Eng. Soc. Preprint 2352 (D4), Paper presented at the 80th Convention 1986 in Montreux
  9. K. Breh, Alles Clara, in: stereoplay 4, 1968, S. 46 -48
  10. R. Geller, Anordnung für ein stereofones Haupt­mikrofonpaar, in: Tonmeisterinformationen 8/9/10, 1990, S. 7 - 8
  11. M. Williams, Unified Theory of Microphone Sys­tems for Stereophonic Sound Recording, Audio Eng. Soc. Preprint 2466 (H-6), Paper presented at the 82nd Convention 1987 in London
  12. M. Dickreiter, Mikrofon-Aufnahmetechnik, S. 112, Hirzel Verlag Stuttgart, 1984
  13. J. Wuttke, Herkömmliches und Neues zum Thema “Kondensatormikrofon mit Kugelcharakteristik”, in: Bericht zur 13. Tonmeistertagung 1984, Bil­dungswerk des Verbands Deutscher Tonmeister, S. 75 - 84, (entspricht Aufsatz 8 in diesem Sammel­band)
  14. H. Olson, Acoustical Engineering, D. Van Nostrand Company lnc., Princeton, Toronto, New York, Lon­don, 1957, S. 18 - 23
  15. S. Nielsen, Distance Perception in Hearing, Univer­sity Press, DK-9100 Aalborg, 1991
  16. J. Blauert, Räumliches Hören von Musik, in: dB Magazin für Studiotechnik, September/Oktober 1989, S. 88 - 94
  17. 17. J.Wuttke, Betrachtungen der Theorien stereofoner Aufnahmetechnik, in: Bericht zur 15. Tonmeistertagung 1988, (entspricht Aufsatz 2 in dieser Aufsatzsammlung)
  18. J.Bruck, www.posthorn.com
  19. Helmut Wittek, www.hauptmikrofon.de, Image Assistant

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