En megafon, är det mikrofoner?

Transkript

1 MIKROFONER av Patrik Eriksson 2001 Mikrofonen är en givare, transducer, som omvandlar (ljud)vågor i ett medium (företrädesvis luft) till elektrisk energi. Mikrofonen används för det mesta för upptagning av ljud för tal och musik, men även i mätändamål; akustikmätning, avståndsdetektering, bullermätning, närvarodetektering, etc. En megafon, är det mikrofoner? Mikrofontyper Dynamisk mikrofon Den dynamiska mikrofonen kan betraktas som en omvänd högtalare. Mikrofonen består av ett rörligt membran på vilken en spole är fäst. Spolen befinner sig i fältet från en permanentmagnet, och när membranet och spolen sätts i rörelse av en ljudvåg kommer en ström att induceras i spolen när denna rör sig i magnetfältet. Denna ström är mikrofonens utsignal, och är proportionell mot membranets rörelse. Den dynamiska mikrofonen är enkel och stryktålig, men har på grund av sin ganska höga massa i membran och spole en viss tröghet som innebär försämrad transientrespons (förmåga att följa snabba ljudtrycksförändringar)och frekvensomfång. fig.1 principskiss för dynamisk mikrofon fig.2 Shure SM-58 dynamisk mikrofon

2 Bandmikrofon Bandmikrofonen består av ett veckat band av ledande material som är upphängt vinkelrätt mellan två permanentmagneter. När ljudvågor sätter bandet i rörelse kommer bandet att röra sig fram och åter i magnetfältet, varvid en ström kommer att induceras i själva bandet, och denna är mikrofonens utsignal. Bandmikrofonen har mycket god transientrespons och ett stort frekvensomfång, men tål å andra sidan inte särskilt höga ljudtryck och är mekaniskt känslig. fig.3 principskiss för bandmikrofon fig.4 bandmik från Royer Labs Kolkornsmikrofon Kolkornsmikrofonen är en idag närmast utdöd mikrofontyp, men var för inte så länge sedan vanlig i bl.a. telefoner. Kolkornsmikrofonen består av en behållare fylld med kolpulver och två elektroder. Behållarens ena sida utgörs av ett membran. När membranet sätts i rörelse av ljudvågor, kommer kolkornens packningstäthet att variera, och därmed också mikrofonens resistans. Kolkornsmikrofonen måste alltså ha en strömmatning för att fungera. Kolkornsmikrofonen är begränsad både i fråga om frekvensomfång och dynamik. fig.5 principskiss kolkornsmikrofon fig.6 gammal kolkornsmikrofon

3 Kristallmikrofon Kristallmikrofonen utnyttjar det faktum att en piezoelektrisk kristall ger upphov till en spänning när den utsätts för mekanisk påverkan. Ett membran kan anslutas till en piezokristall och därigenom erhåller vi en kristallmikrofon. Piezokristallen är mycket högohmig. Kristallmikrofoner är mycket användbara som kontaktmikrofoner, dvs för att ta upp vibrationer från ett fast medium, t.ex. en anliggande yta. Den är utmärkt som kontaktmikrofon på gitarr, fiol, i avlyssningsutrustning etc. Piezokristallen förekommer vanligtvis som signalgivare, och finns att köpa för en billig penning. Dessa s.k. piezosumrar kan ofta användas som kristallmikrofoner och shocksensorer med utmärkt resultat. fig.6 principskiss för kristallmikrofon fig.7 piezosummer från ELFA Kondensatormikrofon Kondensatorn består av ett ett elektriskt ledande membran som får utgöra den ena plattan i en kondensator. När membranet vibrerar av ljudvågorna, kommer mikrofonens kapacitans att variera i samma takt. När mikrofonen är ansluten till en strömkälla, kommer alltså laddning att flyta in och ur kondensatorn, och ge en elektrisk signal som vi kan förstärka. Kondensatormikrofonen har förnämliga såväl transient- som frekvensegenskaper, men är dyr och fordrar hög matningsspänning för kondensatorelementet. fig.8 principskiss för kondensatormikrofon fig.9 Neumann M49 kondensatormikrofon

4 Elektretmikrofon Elektretmikrofonen fungerar på samma sätt som kondensatormikrofonen, men man nyttjar ett annat material i membranet. Detta material har egenskapen att det håller en permanent laddning utan yttre strömkälla. Mikrofonen behöver fortfarande strömtillförsel, eftersom kapseln behöver en förstärkare, men denna spänning kan vara mycket lägre än den som en äkta kondensatormikrofon erfordrar. Övriga mikrofoner Bland övriga mikrofoner kan nämnas lasermikrofonen som används vid hemlig avlyssning. Man riktar en laserstråle mot ett fönster, som kommer att agera som mikrofonmembran. Den reflekterade laserstrålen tas emot med en fotosensor, och när glasrutan vibrerar kommer laserstrålens reflektion att variera. Denna variation förstärker man och omvandlar till en elektrisk signal. Gitarrpickupen är egentligen ingen mikrofon utan en elektromagnetisk sensor som känner av strängarnas rörelse i ett magnetfält. Fältets förändring ger upphov till en ström i en spole, och denna signal förstärker man sedan till absurda ljudnivåer med mycket distorsion

5 Mikrofonens egenskaper Riktningskaraktäristik En mikrofon kan ha varierande upptagningsförmåga beroende på riktningen hos det infallande ljudet. Karaktäristiken kan vara en ofrånkomlig följd av mikrofonens konstruktion, eller en medveten design för att erhålla dessa egenskaper för speciella ändamål. En del mikrofoner har dessutom variabel karaktäristik. En vanlig karaktäristik hos en solistmikrofon för rock n rollbruk finner vi i fig. 10. Som synes tar mikrofonen upp ljud mycket bra i en vinkel på ca 240 grader. Rakt bakifrån minskar dess känslighet dramatiskt. Mycket praktiskt eftersom ljudet från sångarens medhörningshögtalare då inte tas upp lika lätt och resulterar i rundgång. En helt rundtagande mikrofon enligt fig. 13 är mycket lämplig för att t.ex. spela in en stråkkvartett, då den kan placeras mitt ibland musikerna. fig.10 njure (cardioid) fig.11 hypernjure (hypercardioid) fig.12 supernjure (supercardioid) fig.13 kula (omnidirectional) fig.14 åtta (bidirectional)

6 Känslighet Mikrofonens känslighet är helt enkelt hur stor signal den kan ge vid ett visst ljudtryck. Vi uttrycker detta i volt per db ljudtryck. (V/db SPL) Detta varierar mellan mokrofontyp, och även mellan olika exemplar, så vid mätändamål är det viktigt att ha full koll på mätmikrofonens känslighet. Brus Mikrofonen har ett visst egenbrus, ju mindre desto bättre. Bruset härrör dels ur materialbrus, dvs atomernas rörelse i materialet i själva mikrofonen, i spolen, i membranet, men när det gäller kondensator- och elektretmikar kommer det mesta bruset från dess inbyggda förstärkare. Överstyrningsgräns Mikrofonen kan inte återge hur höga ljudtryck som helst. Vid för högt ljudtryck kan även mikrofonen ta skada. Man brukar ange mikrofonens MAX SPL som då anger hur många db ljudtryck mikrofonen maximalt får utsättas för. Impedans Mikrofoner finns med olika utimpedanser. Detta värde använder vi för att matcha mikrofonens signalgenererande förmåga mot den signalmottagande förmågan hos en annan apparat; förstärkare, mixerbord, mätapparatur, bandspelare etc. Impedansen mätes i Ohm, och man brukar använda bokstaven Z när man betecknar utimpedansen. (Ni som kan er komplexmatte bör betänka att Z kan vara ett komplext och frekvensberoende värde. Exempelvis består ju en dynamisk mikrofon av en spole L och en inre resistans. Ri.) Mikrofoner brukar delas in i högimpediva och lågimpediva mikrofoner. Låg impedans innebär i området ohm. Hög impedans menas med cirka 20-50kOhm. Vanliga sång- och instrumentmikrofoner är för det mesta lågimpediva med en Z på ca 200 ohm, och de är relativt okänsliga mot elektrostatiska störningar. Fantommatning Mikrofoner med inbyggd förstärkare kräver någon form av strömförsörjning. En del mikrofoner har plats för batterier, men kan även matas genom mikrofonkabeln, detta kallas fantommatning. Många mixerbord och förförstärkare har möjlighet till detta, men man bör vara uppmärksam på vilken spänning mikrofonen behöver, och vilken som mixern/förstärkaren klarar av att ge. Riktiga kondensatormikrofoner använder för det mesta egen separat strömförsörjning. Detta gäller inte minst s.k. rörmikrofoner som kräver flera hundra volt.

7 Elektrisk anslutning Man kan ansluta mikrofonen på två sätt; balanserat och obalanserat. Balanserat är att föredra vid relativt långa anslutningsledningar, för att minska störningar som fångas upp av kabeln. Vid en balanserad anslutning överför man signalen i två ledare, den ena en spegelbild av den andra (eller 180 grader fasvänd, om man så vill). Kabeln är ett tvinnat par, omgivet av en jordad skärmstrumpa. När signalen når fram till mottagaren vänder man polaritet på den ena signalen, vilket leder till att mikrofonens signal förstärks, eftersom de var motfasiga i kabeln, men störningar som kommit till på vägen är likfasiga, och släcks ut. Det vanligaste kontaktdonet vid balanserad anslutning är XLR-kontakten (kallas även Cannon-kontakt efter en tillverkare) med tre poler. fig. 15 anslutning i XLR-kontakt fig. 16 balanserad mikrofonanslutning Obalanserade anslutningar använder man i enklare sammanhang, vid kortare avstånd. Exempel härpå är mikrofoner och headset till persondatorer. I en obalanserad anslutning överförs signalen i en enkel ledare relativt jord. Kabeln är en enkelledare omgiven av en skärmstrumpa. Kontaktdonet kan variera, men utgörs oftast av en ¼ eller 1/8 s.k. teleplugg, men även s.k. phono/rca kontakt förekommer.