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18 Mikrofone in der Digitaltechnik

Vortrag, gehalten auf der 21. Tonmeistertagung 2000

Als dieser Aufsatz erschien, gab es nur ein einfaches „digitales Mikrofon“ am Weltmarkt. Inzwischen gibt es mehr Angebote, aber sie ändern nichts an den folgenden Aussagen.
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Einleitung

Der Titel sollte nicht missverstanden werden, es geht im Folgenden nicht etwa um „das digitale Mikrofon”, auf das die ganze Audiowelt wartet. Was ist überhaupt ein digitales Mikrofon und warum fragen so viele danach?

Die letzte Frage ist leicht zu beantworten: es entspricht dem Zeitgeist, man ist modern. Zum Glück gibt es aber auch technisch begründete Antworten, die allerdings unterschiedliche Ansätze haben. Es gibt keine einheitliche Erwartungshaltung und die lapidare Feststellung das digitale Mikrofon sei „besser“ ist ohne nähere Spezifizierung etwas dünn. Wodurch wäre denn ein „besseres Mikrofon“ gekennzeichnet?

Die Frage danach, wann ein Mikrofon digital genannt werden darf, unterliegt einem großen Ermessensspielraum. Nach einem amerikanischen Patent /1/ ist ein digitales Mikrofon einfach die Kombination von einem herkömmlichen, analogen akustischen Wandler (transducer) und einem A/D-Wandler in einem Gehäuse (Abb.1). Weitere Funktionsbausteine wie insbesondere ein DSP und ein „Transmitter Interface“ können natürlich auch enthalten sein.

Natürlich möchte man die A/D-Wandlung dichter zum Schallfeld hin verlagern. Zur Zeit ist aber kein Mikrofon absehbar, das auf einen analogen akustischen Wandler verzichtet. Wir sollten uns auch vergegenwärtigen, dass sogar das menschliche Ohr mit einer Membran arbeitet, obwohl unsere innere Datenverarbeitung mit ihren Nervenleitprozessen digital abläuft. Ganz sicher aber wird der natürliche Schall selbst immer analog bleiben.

Bei der Suche nach den möglichen Vorteilen digitaler Mikrofone erscheint es sinnvoll die Qualitätsparameter von Mikrofonen in bewährter Weise zu analysieren. Dabei sollte klar sein, dass man von einem digitalen Mikrofon klanglich nichts Besseres erwarten darf als dies der analoge akustische Wandler vorgibt. Ein etwaiger Vorteil digitaler Mikrofone, wie sie bisher abzusehen sind, entscheidet sich also an der Frage, ob die Entwickler analoger Leitungstreiber es verstanden haben, die volle Signalqualität weiter zu leiten oder nicht. Diesen Leitungstreibern entspricht bei Kondensatormikrofonen der Vorverstärker, der im Wesentlichen nur ein Impedanzwandler ist.

Die aus technischer Sicht besten Mikrofonvorverstärker sind zweifellos transistorisiert, sie erreichen sogar beim Anschluss langer Kabel Übertragungsmerkmale, die kaum einen Wunsch offen lassen. Daher muss es zu denken geben, wenn Anwender technisch weniger perfekte Übertragungselemente wie z.B. Röhrenverstärker /2/ positiv bewerten. Dass hierbei auch Erwartungshaltung und Nostalgie eine Rolle spielen, lässt sich beweisen /3/ , es steht aber auch außer Frage, dass das Ziel der digitalen Datenübertragung eine noch perfektere Signal¬verarbeitung beabsichtigt, als sie bisher schon mit guten Halbleiterschaltungen erreicht wird.

Es folgt nun die Analyse der wichtigsten Qualitätsparameter von Mikrofonen im Hinblick auf die Digitaltechnik.

Der Frequenzgang

Technisch interessierte Anwender schauen oft auf die Frequenzgänge, die sich in den Datenblättern von Mikrofonen befinden. Diese werden in der Regel nur bis 20 kHz angegeben u.a., weil viele Audio-Messgeräte gar nicht viel höher messen können. Dafür gibt es gute Gründe:

Erstens ging man bisher davon aus, dass der Mensch maximal 20 kHz hört  /4/,/5/. Auch neuere Untersuchungen kommen im Kern zum gleichen Ergebnis /6/ .

Zweitens stellt die Übertragung unnötig hoher Frequenzen sogar eine Gefahr für die Qualität dar. Sie besteht in der Bildung hörbarer Differenztöne aus dem erweiterten Frequenzbereich. Diese können leicht entstehen, weil die meisten Übertragungselemente bekanntlich an ihren Frequenzgrenzen weniger linear sind /7/ . Es steht daher außer Frage, dass Versuche, bei denen höhere Frequenzen als 20kHz übertragen werden, zu hörbaren Ergebnissen führen können. Es bleibt aber zu bezweifeln, ob man diese künstlich entstehenden Töne hören will. Nur wenn alle Elemente der Audiokette einschließlich der Lautsprecher die erhöhte Bandbreite problemlos übertragen, ergibt sich kein Nachteil.

Andererseits ist es durch die Digitaltechnik einfacher und preiswerter geworden Audiogeräte mit einer oberen Frequenzgrenze von mehr als 20 kHz zu bauen. Bei einer Samplingrate von 96kHz ist dies sogar naheliegend.

Wie verhalten sich also moderne analoge Mikrofone oberhalb 20 kHz ?

Zunächst muss festgestellt werden, dass es viele beliebte Mikrofone gibt, deren Übertragungsbereich kaum bis 20 kHz reicht. Je nach Bewertungskriterium kann man z.B. von vielen Großmembran-Mikrofonen sagen, dass ihre obere Frequenzgrenze eher bei 16 kHz als bei 20 kHz zu sehen ist.

Bei Kleinmembran-Systemen lohnt sich ein Blick in die Datenblätter auch dann, wenn die Darstellung nur bis 20 kHz geht. Bei einem Frequenzgang wie in Abb.2 erkennt man, dass er früh abfällt. Was dem Hörer auffällt, hat mehr mit dem Verhalten bei 10 kHz zu tun als bei 20 kHz. Andere Verläufe sind vielversprechender (Abb.3) /8/. Allerdings muss auch der Mikrofonverstärker genügend breitbandig sein. Häufig sind Tiefpässe enthalten, durch die das Mikrofon u.a. unempfindlicher gegenüber von außen eindringenden HF-Störungen wird.

Die Kapsel, deren Frequenzgang in Abb.3 dargestellt ist, wird mit einem eisenlosen Mikrofonverstärker betrieben, dessen Ausgangsfilterung erst über 50kHz Wirkung zeigt. Das Messergebnis des kompletten Mikrofons ist in Abb.4 zu sehen.

Da sowohl Kapsel als auch Mikrofonverstärker hohe Linearitätskriterien erfüllen, ist eine Entzerrung bis 50 kHz durchaus möglich, wobei aber nochmals darauf hingewiesen werden muss, dass bei der weiteren Signalverarbeitung auf die Linearität aller Komponenten, insbesondere der Lautsprecher zu achten ist um negative Effekte zu vermeiden.

Ein anderer Aspekt hinsichtlich des Frequenzgangs, der im Hinblick auf die Digitaltechnik Bedeutung hat, ist natürlich die Sicherheit, mit der hohe Frequenzen ungeschwächt  übertragen werden können. Hierzu folgen im späteren Kapitel „Praktische Aspekte“ Kommentare.

Das Polardiagramm

Die Betrachtung des Frequenzgangs allein ist aber kein ausreichendes Kriterium für die Qualität eines Mikrofons. Es kann daher verwundern, wie oft allein vom Frequenzgang gesprochen wird. Damit der Frequenzgang unabhängig vom Schalleinfallswinkel ist, muss das Polardiagramm bei allen Frequenzen des Übertragungsbereiches gleich sein.

Wie man den Datenblättern von Mikrofonen entnehmen kann (www.microphone-data.com), ist dies aber selten der Fall. Die Frequenzabhängigkeit des Polardiagramms ist dabei die entscheidende Ursache für die klanglichen Unterschiede von Qualitätsmikrofonen gleicher Nenn-Richtcharakteristik./9/,/10/,/11/

An einem Beispiel soll hier kurz rekapituliert werden, wie sehr sich der Frequenzgang mit dem Schalleinfallswinkel ändern kann. Abb.5 zeigt die Frequenzabhängigkeit eines ausgewählten Mikrofons mit Nierencharakteristik. Der Übersichtlichkeit wegen werden hier nur die Dia¬gramme für mittlere und hohe Frequenzen gezeigt.

Bei 5 kHz und seitlichem Schalleinfall aus 50° dämpft das Mikrofon den Pegel noch entsprechend der Charakteristik einer idealen Niere um 1,7dB. Bei 10 kHz beträgt die Pegelabsenkung in diesem Beispiel aber bereits 7dB und bei 15kHz 12 dB. Dies sind rund 5 dB bzw. 10 dB mehr als bei der idealen Niere und der Frequenzgang fällt für Schall aus dieser Richtung entsprechend ab. Wenn man bedenkt, welch kleine Frequenzgangverwerfungen oft heftig diskutiert werden, sollte hier die große Bedeutung des Polardiagramms klar werden. Es ist also nicht ausreichend, wenn oft nur vom Frequenzgang allein gesprochen wird, ohne zu beachten, dass er für schrägwinkligen Schalleinfall ganz anders aussehen kann. Dies äußert sich auch in der Übertragung des diffusen Schallfelds, bei dem alle Schalleinfallsrichtungen gleichermaßen vorkommen.

Untere Dynamikgrenze

Der Schlüssel zum Erfolg der Digitaltechnik war besonders bei Aufnahmegeräten die Verringerung von Störpegeln. Beim digitalen Mikrofon selbst ist aber diesbezüglich wenigstens vorerst keine Hoffnung auf Verbesserungen angebracht, weil der Grundgeräuschpegel aus der analogen Kapsel und dem nachgeschalteten Impedanzwandler stammt.

Im praktischen Betrieb können die Verhältnisse aber anders aussehen, wie im Kapitel „Praktische Aspekte“ beschrieben wird.

Obere Dynamikgrenze

Die obere Dynamikgrenze von Mikrofonen wird durch den Grenzschalldruck beschrieben. Er ist viel höher als der Bezugspegel für die Bestimmung des Störspannungs-Abstandes (94 dB-SPL), womit zu erklären ist, warum der Störspannungs-Abstand von Mikrofonen oft klein erscheint, obwohl Mikrofone unter allen analogen Geräten zu den Geräten mit der höchsten Dynamik zählen, so hoch, dass man deshalb keine Digitaltechnik benötigen würde.

Praktische Aspekte

Bei der Betrachtung der praktischen Aspekte stehen sich verschiedene Vorteile und Nachteile gegenüber. Artefakte der Analogtechnik treten in der Digitaltechnik naturgemäß nicht auf.

Dynamik

Nachdem die Dynamikgrenzen in den vorangegangenen Kapiteln bereits diskutiert wurden, könnte man davon ausgehen, dass die Digitaltechnik für Mikrofone keine Vorteile bringt. Gute analoge Mikrofone erreichen Dynamikwerte von bis zu 130 dB. Dies leisten sogar 24 bit-Wandler in der Praxis nicht, wenn nicht Zusatzaufwand wie gain ranging  /12/ eingesetzt wird.

Andererseits gibt es in der Praxis ein paar Effekte der Analogtechnik, die die guten Dynamikwerte von Mikrofonen beachtlich schmälern können. Erstens fügen sogar gute Vorverstärker im Mischpult nicht selten einige dB Rauschen zum Mikrofonsignal hinzu, wenn sie nicht auf möglichst hohe Vorverstärkung eingestellt sind. Zweitens können Störungen, die auf das Kabel gelangen, zu einer weiteren effektiven Störspannungs-Verschlechterung führen. Dies hängt u.a. mit der Impedanz des analogen Mikrofons zusammen. Je kleiner sie ist desto besser.

Verwendung langer Kabel

Eine niedrige Quell-Impedanz ist auch für gute Frequenzgänge analoger Signale über große Kabellängen wichtig. Besonders niederohmige Mikrofone können durchaus 400 m lange Kabel ohne nennenswerten Höhenverlust treiben /13/ . Dennoch kann man annehmen, dass die Digitaltechnik bezüglich großer Kabellängen unproblematischer ist. Allerdings müssen Einschränkungen gemacht werden. Die Hoffnung, dass Impedanz- und Anpassungsfragen in der Digitaltechnik keine Rolle spielen, ist nur partiell angebracht. In der Digitaltechnik ist der Wellenwiderstand von Bedeutung. Er soll bei AES/EBU-Kabeln 110 Ohm betragen. Mikrofonkabel hatten bisher keinen definierten Wellenwiderstand, weil er im NF-Bereich bei den üblichen Kabellängen keine Rolle spielt  /14/ . Vor allem, wenn Kabel verschiedenen Wellenwiderstands aneinander gefügt werden, kann es zu Betriebsstörungen durch Reflexionen des Signals kommen. Im einfacheren Fall setzt die Funktion aus. Schwieriger werden die Verhältnisse, wenn Jitter entsteht, wofür es verschiedene Ursachen gibt. Im Gegensatz zu den leicht erkennbaren analogen Störungen auf Kabeln wie z.B. Brumm oder Einstreuungen sind digitale Fehler weniger leicht erkennbar.

Ein weiterer Widerstandswert, der bei Mikrofonkabeln bisher kaum diskutiert werden musste, ist der ohmsche Widerstand. Bei Betriebsströmen von bis zu 250 mA aus 10 V kann ein zu hoher Spannungsabfall nicht in allen Fällen ausgeschlossen werden. Ein Vorteil ist damit allerdings auch verbunden: ein nicht ordnungsgemäß mit Strom versorgtes Mikrofon wird einfach nicht funktionieren statt die Qualität zu gefährden, wie dies bei fahrlässig realisierten 48V-Phantomspeisungen dem ahnungslosen Anwender widerfahren kann /15/.

Besonderheiten

Die Besonderheiten der digitalen im Vergleich zur analogen Technik können hier nicht aufgezählt werden. Zu den positiven Merkmalen zählt, dass die digitale Signalverarbeitung Eingriffe in das Klanggeschehen ermöglicht, die analog schwer realisierbar sind. Weniger erfreuliche Punkte müssen aber auch gesehen werden:

Aufnahmetechniken aller Art, ob Stereo-, Surround- oder andere erfordern genaue Phasenbeziehungen zwischen den Kanälen. Im Zusammenhang mit den „Latenzzeiten“, die durch das „Processing“ entstehen können, werden wir uns angewöhnen müssen besonders auf Gleichphasigkeit der kritischen Signale zu achten.

Einen zweiten Punkt nehmen wir kaum noch wahr: Viele Anwender digital funktionierender Geräte scheinen sich bereits daran gewöhnt zu haben, dass ihr drei Jahre altes Equipment schon veraltet sein kann. In diesem Zusammenhang muss der Analogtechnik dann doch ein Kompliment gemacht werden. Vor allem Mikrofone sind dafür bekannt, dass sie auch nach einigen Dekaden ihre Anwender noch zufrieden stellen oder sogar begeistern. Bei den analogen Mikrofonen wird das so bleiben.

Die digitale Schnittstelle für Mikrofone

Unabhängig davon wie ein „digitales Mikrofon“ im Detail aufgebaut ist, wird eine Einigung auf eine einheitliche Anschlusstechnik erforderlich. Die Ergebnisse werden in der Norm

„AES 42“ festgelegt.  Dies ist eine Erweiterung des AES3-Standards mit der digitalen Phantomspeisung DPP aus 10 Volt ohne Speisewiderstand. Die Stromzufuhr erfolgt über die  Mittelanzapfung eines Übertragers.

Diskussionen gibt es zur Wahl des hohen maximal zugelassenen Speisestroms. Dies betrifft vor allem die Mischpulthersteller. Auch der Steckverbinder ist nicht unproblematisch. Es ist der allgemein übliche „XLR-3“ , der für Mikrofone natürlich mit der digitalen Phantomspeisung DPP ausgestattet sein muss.

Verwechslungen mit Audio-Kabeln können eventuell Probleme verursachen, die schlimmstenfalls zu Gerätebeschädigungen führen können. Allerdings ist dieses Problem nicht neu. Eingänge mit 48V-Phantomspeisung sollten z.B auch nicht irrtümlich mit dem Ausgang beliebiger Geräte verbunden werden.

Zur Aktualisierung dieses aus dem Jahr 2000 stammenden Aufsatzes wird hier auf folgendes „Whitepaper“ hingewiesen: www.hauptmikrofon.de/doc/WhitePaperD_AES42_v21_Mai2010.pdf

Digitale Vorteile

Die Norm der neuen Schnittstelle enthält verschiedene Betriebsarten, die als „Modes“ bezeichnet werden. Alle Modes des Typs „zwei“ beschreiben Betriebsformen, die auch das Senden von Daten zum Mikrofon zulassen. Diese „bidirektionale“ Funktion eröffnet viele neue praktische Möglichkeiten. So ist beispielsweise eine Mikrofonkennung vorgesehen, die es am Arbeitsplatz erlaubt, den angeschlossenen Mikrofontyp zu erkennen. Besser noch, entsprechend konzipierte Mikrofone werden es erlauben verschiedene Parameter der Mikrofone fernzusteuern. Dies beschränkt sich nicht nur auf die bereits bekannte Einstellung der Richtcharakteristik.

Einer der markantesten Vorteile der Digitaltechnik ist natürlich die Möglichkeit Signale verlustfrei zu speichern, zu kopieren und zu bearbeiten. Dass dies der Branche auch Probleme gebracht hat, ist ein anderes Thema, das nichts mit Mikrofontechnik zu tun hat.

Durch die verlustfreie Bearbeitung und Speicherung wird es u.a. möglich die Signale mehrerer Mikrofone miteinander zu verknüpfen und man erhält damit sehr leistungsfähige Aufnahme-Systeme. Als Beispiele lassen sich die bekannten Verfahren der MS-Technik und des Soundfield-Mikrofons nennen. Auch mit analoger Technik lassen sich deren Einstellungen bei einer Nachbe-arbeitung vornehmen, aber erst durch die Digitaltechnik sind damit keine Nachteile mehr verbunden.

Das Prinzip „PolarFlex“ von SCHOEPS beinhaltet auch ein Matrizierungsverfahren von Mikrofonsignalen, wie es erst mit einem digitalen Prozessor ohne Qualitätsverlust möglich wird. Dabei werden pro „PolarFlex-Mikrofon“ zwei Mikrofon-Signale benötigt und zu einem AES/EBU-Signal vereint (http://www.sengpielaudio.com/PolarFlex.pdf).  Der Klang kann damit auch noch nach der Aufnahme so gewählt werden, wie er sich mit den verschiedensten Qualitätsmikrofonen des Weltmarktes ergibt. Auch der Klang von Gro߬membran-Mikrofonen und andere erwünschte Verfärbungen sind durch die einstellbare Frequenzabhängigkeit des Richtdiagramms möglich.

Der gleiche Prozessor wird mit einem anderen Programm für die Matrizierung der vier Signale des Surround-Mikrofons KFM 360 eingesetzt um 5.1-Signale zu erhalten.

Andere Matrizierungen werden von noch mehr Mikrofonsignalen ausgehen und damit die besonderen und teilweise noch unbekannten Merkmale von Mikrofonarrays dem Anwender zur Verfügung stellen. Außerdem könnten „intelligente Prozesse“ helfen die Leistungsmerkmale von einfachen Mikrofonen weit zu überbieten.

Anmerkung aus dem Jahr 2010: Das Super-CMIT ist ein derartiges Mikrofon (http://www.schoeps.de/de/news/71)

Literaturhinweise

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  1. Paul et al., Digital Output Transducer, United States Patent, Patent Number 5,051,799, Sept.24,1991
  2. Götz Corinth, Röhre oder Halbleiter in Kondensatormikrofonen, 20. Tonmeistertagung Karlsruhe, Tagungsband S. 450ff., 1998
  3. Jörg Wuttke, Das Mikrofon zwischen Physik und Emotion, 20.Tonmeistertagung Karlsruhe, Tagungsband S. 450ff., 1998, *
  4. Peter Schöne, Georg Plenge, Horst Jakubowski, Genügt eine Bandbreite von 15kHz für Elektroakustische Übertragungssysteme?, Rundfunktechnische Mitteilungen, 1979
  5. Donald E. Hall, Musikalische Akustik, S.110, Schott Musik International, Mainz, 1997
  6. Kaoru Ashihara, Audibility of Complex Tones above 20kHz,     http://www.aist.go.jp/ETL/etl/divisions/~acoustic/research/hf-e.html., 14.01.2000
  7. John Watkinson, Transforms and Spectra 3, Studio Sound, S. 92, June 2000
  8. Jörg Wuttke, Herkömmliches und Neues zum Thema „Kondensatormikrofon mit Kugelcharakteristik“, 13.Tonmeistertagung München, Tagungsband S. 75ff, 1984 *
  9. Jörg Wuttke, Wie universell kann ein Mikrofon sein? 19.Tonmeistertagung Karlsruhe, Tagungsband S.675ff, 1998 *
  10. Ralf Schnellbach, Untersuchungen an einem Mikrofonsystem mit frequenzabhängig variablem Bündelungsmaß,      Diplomarbeit an FH Düsseldorf, 1995
  11. Christian Langen, Mikrofon mit frequenzabhängig einstellbarem Bündelungsmaß, 20.Tonmeistertagung Karlsruhe,      Tagungsband S. 411ff, 1998,
  12. Helmut Jahne, Verfahren und Anordnung zur Analog-Digital-Wandlung von Signalen, Offenlegungsschrift DE 195 02 047 A1, 12.01.1995
  13. Jörg Wuttke, Mikrofones Allerlei -kleines Kompendium, 18.Tonmeistertagung Karlsruhe, Tagungsband S. 266ff, 1994 *
  14. K.Küpfmüller, Einführung in die theoretische Elektrotechnik, 8.Auflage S.377ff, Springer-Verlag Berlin /      Heidelberg / New York, 1965
  15. Jörg Wuttke, Die 48V-Phantomspeisung und ihre Geister, Studio Magazin “Mikrofon Special”, 1998 *

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* Diese Aufsätze sind auch in der Publikation “Mikrofonaufsätze” von  Jörg Wuttke enthalten.

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