MÄTNING AV MIKROFONERS EGENSKAPER. ARF001 Teknisk Akustik 13 mars 2002 Institutionen för Arbetsvetenskap Henrik Wikner

Transkript

1 MÄTNING AV MIKROFONERS EGENSKAPER ARF001 Teknisk Akustik 13 mars 2002 Institutionen för Arbetsvetenskap Henrik Wikner

2 INLEDNING Olika inspelningsmikrofoner har väldigt olika ljudkaraktär, detta hör man med en gång vid inspelning av samma källa med olika mikrofoner. En fråga jag ofta ställt mig är om man, i jämförandet av mikrofoners uppmätta prestanda, kan se dessa ljudskillnader. Detta projekt går ut på att mäta mikrofoners riktningskarakteristik, frekvensrespons, känslighet och jämföra dessa siffror med de hörbara skillnaderna. METOD Metoden för att mäta mikrofoner bör vara tämligen standardiserad för uppnå en god grad av jämförelsebarhet mellan mätningar gjorda vid skilda tillfällen och på olika platser. En metod har framtagits genom att studera datablad för diverse mikrofoner och övrig litteratur i ämnet. Det finns ingen lättillgänglig beskrivning i uppmätning av en mikrofons prestanda och karakteristik, således blev en del av projektets innehåll att skapa en egen tillförlitlig metod för detta. I korthet gjordes en mängd mätningar och analyser i det datorbaserade mätsystemet CLIO, mer om detta nedan.

3 TILLVÄGAGÅNGSSÄTT För att mäta en mikrofons frekvensrespons krävs en signalkälla som är helt linjär, d.v.s. utan nivåskillnader vid olika frekvenser. Detta skulle innebära en helt linjär högtalare och en förstärkare utan distorsion. Eftersom ett sådant system i princip är omöjligt att tillverka har tillvägagångssättet varit ett annat: en högtalare och förstärkare med tillförlitliga prestanda över tid väljs för att återge den signal man ämnar använda för sitt experiment, en mikrofon väljs med helt linjär frekvensgång (uppmätt i specifika laboratorier), denna spelar in signalen ovan. Den här signalens utseende i en FFT-analysator återspeglar högtalaren och förstärkarens frekvenskarakteristik och används i de fortsatta mätningarna som referens. Jämförandet mellan de nya mätningarna och referensen ger mikrofonens frekvensrespons. Mätsystemet CLIO är anpassat för mätning av ljudkällans karakteristik, inte mikrofonens dito, vilket gav upphov till en del svårigheter, t.ex. vid mätning av riktningskarakteristik med hjälp av en roterande skiva. Omgivningen har givetvis stor betydelse vid mätningarna, därför gjordes dessa i ett ekofritt rum som kan anses vara ett diffust fält. Högtalare vid mätningarna var Paradigm Atom tvåvägs- bokhyllehögtalare med god frekvensåtergivning ned till ca. 50 Hz, därefter faller frekvenskurvan ganska snabbt. Förstärkare var en Pioneer A-400X. Problem med mätningarnas riktighet kan uppstå när nivån på signalen faller till en nivå nära brusnivån, därför gjordes en mätning där brusnivån i det tysta rummet kontrollerades (se frekvensresponsdiagram 6). Referensmikrofon var en kondensatormikrofonkapsel från Brüel & Kjaer med modellbeteckningen Dess frekvensrespons är helt linjär från 20 Hz till 10 khz, mellan 10 khz och 20 khz finns en jämn puckel som når sin topp vid 15 khz med en höjning av nivån med 2,5 db. Denna respons måste alltså jämföras med de slutgiltiga resultaten. Mikrofonkapseln kopplades på en Brüel & Kjaer mikrofonförstärkare (2619), följt av ett fantomspänningsaggregat med spänningen 200 V från samma företag. Denna signalväg kopplades sedan in i CLIO. På grund av olika anslutningsdon och fantommatningsspänning kunde inte samma signalkedja användas för de inspelningsmikrofoner vars karakteristik uppmättes senare. Inspelningsmikrofoner har en standardiserad fantommatningsspänning på 48 V +/- 4 V och standardiserade anslutningar av typen trepolig XLR (Cannon). Därför valdes att använda en annan mikrofonförstärkare vid de fortsatta mätningarna, en MindPrint DI-Port. De mätningarna egentligen jämför är alltså frekvensresponsen hos B&K-uppsättningen (mikrofon-mikrofonförstärkarespänningsmatning) med Mikrofon X- DI-Port (mikrofonförstärkare/spänningsmatning), inte enbart mikrofonerna vilket vore idealt. Alla mikrofoner Vid mätning av riktningskarakteristik åskådliggör man tydligast resultaten i ett polärdiagram. Mikrofonen ställs på en roterande platta som snurras ett förutbestämt gradtal samtidigt som mätningar vid en specifik frekvens görs vid varje steg. Det man ser i diagrammet är hur väl mikrofonen tar upp ljud som kommer från olika riktningar. Låga frekvenser (i det här fallet under 500 Hz) antas ha rundtagande karakteristik, också kallad omni, medan högre frekvenser väljs att ta upp i speciella riktningar. B&K-mikrofonen har enligt tillverkarens specifikationer en rundtagande karakteristik medan alla övriga mikrofoner i mätningarna har en mer eller mindre uttalad njurkarakteristik (se framsidanav rapporten), cardioid. Den roterande skivan är specialtillverkad för datormätsystem av samma

4 typ som CLIO men det visade sig att endast Windows-versionen hade stöd för automatisk styrning av skivan. Windows-versionen hade däremot inte stöd för visning av nödvändiga polärdiagram, vilket den tidigare DOS-versionen hade. Varje vridning av skivan fick därför göras med den manuella kontrollen, vilket gjorde att mätningarna tog mycket lång tid i anspråk. Vid mätning av frekvensrespons användes Windows-versionen av programmet, mikrofonerna sattes i tur och ordning på ett stativ framför högtalaren som återgav ett frekvenssvep (20-20 khz) och en MLS-puls (vitt brus i alla hörbara frekvenser). Den resulterande kurvan analyserades, MLS-pulsen ger enligt uppgift en mer tillförlitlig mätning i basfrekvenserna. Mikrofonen från Brüel & Kjaer är av typen pressure transducer, detta innebär ett membran som är inkapslat, d.v.s. endast tar upp ljud på den sida av membranet som är riktat i mikrofonens längdriktning framåt. Upptagningen är oberoende av riktningen varifrån ljudvågorna kommer och ger som nämnts tidigare en omnikarakteristik. Konstruktionen av cardioidkarakteristik bygger på en teknik där baksidan av membranet inte är inkapslat, s.k. pressure transducer gradient. Bakom membranet finns ett material som fördröjer ljudet motsvarande den tid det tar för ljudet att nå runt kanten till den främre sidan av membranet. I en ideal cardioidmikrofon (utan mikrofonhölje) kommer ljud bakifrån att mekaniskt släckas ut då membranet påverkas lika mycket på båda sidorna. Ljud framifrån förblir opåverkat eller förstärkt beroende på specifik mikrofon MÄTRESULTAT Mikrofontyper Kondensatormikrofon Elektretmikrofon Dynamisk mikrofon Märke och modell Marshall Electronics MXL 603s Marshall Electronics MXL V67 Milab VM-41 AKG C1000 Shure SM57 Samson Q-mic Marshall Electronics MXL 603s (2 st.) MXL 603s har ett ¾ membran och klassas som en småmembransmikrofon. Små membran tenderar att vara mer ärliga i sin upptagning, speciellt höga frekvenser (ovanför ca. 2 khz) är mer framträdande i MXL 603s än i mikrofoner med ett stort membran (1 eller större). MXL 603s har enligt tillverkaren en vid cardioidkarakteristik, nästan omni, vilket visar sig stämma relativt väl i redovisade diagram. Frekvensresponsen var den rakaste av alla de testade mikrofonerna. (Se diagram 1.) Marshall Electronics MXL V67G, MXL V67M (2 st.) MXL V67 är en stormembransmikrofon med ett 1 membran från samma tillverkare som MXL 603s. V67G och V67M skiljer sig teoretiskt sett endast åt genom deras olika färgscheman, V67G har en guldfärgad grill, V67M är svart. Diskussion rörande dessa

5 förhållandevis billiga (~$200 USD) mikrofoner har varit ganska omfattande i inspelningskretsar i USA, dels rörande deras subjektiva ljudkvalitet men främst angående kvalitetskontroll och prestandaskillnad mellan exemplar. I inspelningssammanhang har jag dock inte hört någon skillnad mellan de två exemplaren (serienummer #638 resp. #1846, köpta med ett års mellanrum), detta visade sig i mätningarna stämma mycket väl. Frekvensresponsen är inte lika rak men den successiva minskningen av känsligheten i det låga frekvensregistret får en god effekt i användning. Ofta används mikrofonen vid avstånd mellan 5-20 cm och proximitetseffekten ger en bashöjning som alltså undertrycks en aning i MXL V67. (Se diagram 2.) Milab VM-41 (2 st.) Dessa två svensktillverkade mikrofoner har ett ½ membran med ett cardioidformat upptagningsmönster. Av redovisade diagram framgår tydligt att en av mikrofonerna (förmodligen nr. 2) har skadats. Polärdiagrammen (mätta på VM-41 nr. 1) visar dock på en mycket välbalanserad riktningskarakteristik med en dragning mot supercardioid. (Se diagram 3, 11 och 12.) AKG C1000s C1000s är den enda elektretmikrofonen i testet och har ett avtagbart lock som kan träs över membranets hållare. Detta ska enligt datablad ändra riktningskarakteristiken från cardioid till hypercardioid. Enligt de uppmätta resultaten minskas snarare direktiviteten rakt bakifrån, vilket ger den en snävare cardioidupptagning. Frekvensresponsen visar på en diskanthöjning vid 3-4 khz vilket överenstämmer med tidigare erfarenheter om att den fungerar mycket bra på att skärpa till elgitarrer och öka tydligheten i många manliga röster. (Se diagram 4, 9 och 10.) Shure SM57 Testernas första dynamiska mikrofon är en arbetshäst vid uppmickning av exempelvis virveltrumma och gitarrförstärkare. Databladens uppgift om en höjning omkring 6 khz återspeglas med all önskvärd tydlighet i gjorda mätningar. Denna höjning tar fram ett önskvärt skimmer i de ovan nämnda instrumenten, sänkningen av basfrekvenserna ger på samma sätt en önskvärd minskning av proximitetseffekten (denna mikrofon torde alltså konstruerad speciellt för närmickning av instrument). (Se diagram 5.) Samson Q-mic (2 st.) Q-mics egenskaper liknar till stor del SM57:ans men den är ännu mer överdriven i sin karaktär. Förutom diskanthöjning omkring 5 och 10 khz och basminskning finns en höjning omkring 2 khz. Denna egenskap gör den väldigt lämplig vid sång då sångens tydlighet ofta ligger i detta frekvensregister. (Se diagram 5.) Den relativa känsligheten (referens Brüel & Kjaer 4134) har jag avläst ur frekvensresponsdiagrammen. Känsligheten brukar anges vid 1 khz och jag har rangordnat dem med den känsligaste (högst utnivå vid given ljudkälla) som nr. 1.

6 1. MXL 603s (+2 db vid 1 khz) 2. MXL V67 (-1 db vid 1 khz) 3. AKG C1000s, Milab VM-41 nr. 1 (-6 db vid 1 khz) 4. Milab VM-41 nr. 2 (-12 db vid 1 khz) 5. Samson Q-mic (-16 db vid 1 khz) 6. Shure SM57 (-18 db vid 1 khz) Vidare gjordes även vattenfallsanalyser av MLS-mätningen för att utröna om det fanns några ringningar i mikrofonerna som utgjorde en märkbar del av ljudspektrat. Dessa DISKUSSION/FELKÄLLOR Felkällor finns i överflöd vid mätning av mikrofoner, den huvudsakliga är att mätningen egentligen kräver kalibrerade högtalare och en mängd övriga ätgärder som bör vidtas (enligt Peus). Vid min enklare mätning finns ett par saker som man bör tänka på: att endast jämföra mikrofoner har varit i stort sett omöjligt då skillnaden i anslutningar och fantomspänning inte kunde överbryggas. Mikrofonernas montering ger upphov till reflektioner som kan störa riktningskarakteristiken, vadderade stativ skulle kunna vara en del av en lösning. I detta projekt har jag dock velat göra en jämförelse som också kan användas i mikrofonernas verkliga arbete (inspelningsstudion) vilket minskar detta problems betydelse. Vidare skulle mätning av den polära responsen kunna göras mer noggrann genom att mäta med mindre steg (antal grader) på skivan. Projektet har visat hur tekniska fakta ofta överensstämmer med subjektiva uppfattningar om ljudkvalitet och hur mikrofoner från olika tillverkningsserier har jämna prestanda. Ett obesvarat faktum kvarstår dock: Varför låter VM-41 nr. 2 (den som mest troligt är sönder) så oerhört bra på gitarrförstärkare?

7 KÄLLOR BORÉ GERHART, PEUS STEPHAN. Microphones - Methods of Operation and Type Examples Druck-Centrum Fürst GmbH, Berlin PEUS STEPHAN. Measurements on Studio Microphones Audio Engineering Society, New York. Datablad för mikrofoner ( ): AKG C1000s: Shure SM57: Samson Q-mic: MXL 603s: MXL V67:

8 BILAGOR FREKVENSRESPONSDIAGRAM 20.0 MLS - Frequency Response 3/2/02 8:51:44 PM CLIO dbrel Deg k Hz 10k 20k File: org - CH ny 603s B dbspl b.mls 1/12 Octave 51.2kHz 16K Rectangular Start 0.00ms Stop ms FreqLO 3.13Hz 1. Marshall Electronics MXL 603s: Röd A, Blå - B 20.0 MLS - Frequency Response 3/2/02 8:37:27 PM CLIO dbrel Deg k Hz 10k 20k File: org - CH v67 B svart.mls dbspl 1/12 Octave 51.2kHz 16K Rectangular Start 0.00ms Stop ms FreqLO 3.13Hz 2. Marshall Electronics MXL V67: Röd V67G, Blå V67M

9 10.0 MLS - Frequency Response 3/2/02 8:13:50 PM CLIO dbrel Deg k Hz 10k 20k File: org - CH milab B vm-41 dbspl 2.mls 1/12 Octave 51.2kHz 16K Rectangular Start 0.00ms Stop ms FreqLO 3.13Hz 3. Milab VM-41: Röd Nr. 1, Blå Nr MLS - Frequency Response 3/2/02 8:18:45 PM CLIO dbrel Deg k Hz 10k 20k File: org - CH c1000s.mls B dbspl 1/12 Octave 51.2kHz 16K Rectangular Start 0.00ms Stop ms FreqLO 3.13Hz 4. AKG C1000s: Röd med lock, Blå utan lock

10 10.0 MLS - Frequency Response 3/2/02 8:28:15 PM CLIO dbrel Deg k Hz 10k 20k File: org - CH samson B dbspl qmic b.mls 1/12 Octave 51.2kHz 16K Rectangular Start 0.00ms Stop ms FreqLO 3.13Hz 5. Röd Shure SM57, Samson Q-mic: Blå A, Gul - B 80.0 FFT 3/2/02 5:44:39 PM CLIO dbspl k Hz 10k 20k File: bk - tyst ekorum stängd dörr.fft CH A dbspl 51.2kHz Hanning 6. Brüel & Kjaer 4134: Tyst rum

11 BILAGOR POLÄRDIAGRAM 7. Brüel & Kjaer 4134: 125 Hz, 1 khz 8. Brüel & Kjaer 4134: 8 khz, 16 khz

12 9. AKG C1000s utan huva: 125 Hz, 1 khz 10. AKG C1000s med huva: 125 Hz, 1 khz

13 11. Milab VM-41: 125 Hz, 1 khz 12. Milab VM-41: 8 khz, 16 khz