Mikrofoner - en introduksjon
søndag 08. oktober 2006
 Mikrofonen er lydteknikerens viktigste verktøy. Kunnskap om mikrofoner og anvendelsen av dem er derfor helt avgjørende for resultatet. Denne artikkelen er en introduksjon til mikrofoner for deg som vil vite mer om ulike mikrofoner og deres virkemåte.

Teksten er ikke en uuttømmelig kilde om all mulig teori omkring mikrofoner, men en gjennomgang av det aller nødvendigste du bør vite om mikrofoner for å kunne velge riktig mikrofon og bruke den på best mulig måte.

Enkelt fortalt omsetter mikrofonen lyd til elektrisk energi.

Fig: 1: Mikrofonenes opgave er å omdanne lyd til elektriskenergi.

Fig: 1: Mikrofonenes oppgave er å omdanne lyd til elektriskenergi.

Denne energien føres via mikrofonledningen til en mikrofonforsterker før den sendes videre f.eks. til mikrofonforsterkeren i et lydkort.



Lyd
Før vi går i gang med å beskrive mikrofonens virkemåte tar vi en kort gjennomgang av hva lyd er for noe. Dette vil hjelpe deg til bedre å forstå mikrofonens virkemåte. Lyd oppstår når et objekt vibrerer. Dette vibrerende objektet kan f.eks. være kroppen på en akustisk gitar. Vibrasjonene "dytter" på de omkringliggende luftmolekylene, lufta fortettes og det oppstår vekselvis høytrykk og lavtrykk. Disse lufttrykksendringene utbres i luft på samme måte som ringer brer seg i vann når man kaster en stein i det.

FIg. 2: Lyd spres i luft på samme måte som ringer brer seg i vann.

FIg. 2: Lyd spres i luft på samme måte som ringer brer seg i vann.

Lyden brer seg altså i luft, og lufta blir dermed det mediet som transporterer lyden. Her må jeg understreke at det ikke er selve lufta som suser av gårde som om det var vind, men at det er bølgebevegelsen, eller vekselvis høyt og lavt lufttrykk som brer seg. På samme måte som det er bevegelsen som brer seg når man har satt opp en rekke av dominobrikker og velter en av dem slik at alle de andre velter i tur og orden. Det er altså ikke den ene dominobrikken som suser av gårde, men selve bevegelsen som bres.

Fig. 3: Bevegelsen brer seg som fallende dominobrikker.

Fig. 3: Bevegelsen brer seg som fallende dominobrikker.

Endringene i lufttrykk setter trommehinna i vårt øre i bevegelse og hvis luftrykksendringene har en hyppighet på mellom 20 og 20 000 endringer pr.sekund. vil hjernen tolke dette som lyd. Antall lufttrykksendringer pr. sekund beskrives vanligvis med begrepet frekvens og den vanlige benevnelsen er Hertz. Hvis man har 20 lufttrykkendringer pr. sekund vil man beskrive det som at frekvensen er 20 Hz. Det hørbare frekvensområdet er fra 20 Hz til 20 000 Hz (20 kHz), men det er som regel individuelle variasjoner. En tommelfingerregel er at vi kan trekke fra ca. 1000 Hz fra 20 000 Hz pr. levde 10 år. I tillegg reduseres hørselen av for sterk lyd over lang tid og annet.

Lyd er altså bevegelsesenergi men, vi snakker om veldig små mengder energi. Enkelte har hevdet at hvis du hyler konstant i 8 år, 7 mnd og 6 dager, har du produsert nok lydenergi til å varme en kaffekopp! Jeg har ikke funnet noen eksakte målinger som beviser dette men, det illustrerer at det er snakk om ørsmå mengder med energi og at lydkraft, til tross for høye kraftpriser, neppe er noen lukrativ forretningside. Lyd spres i alle retninger som ringer i vann. Ettersom lyden stadig spres utover et større område avtar lydenergien når avstand til lydkilden øker. Dette gjør at lydenergien blir lavere og lavere jo større avstanden til lydkilden er.

Membran
Mikrofonen omsetter lyd til elektrisk signal ved at lydens bevegelsesenergi omsettes til elektrisk energi. Dette skjer i en kraftoverføringsenhet hvor det sitter en membran. Membranen er som regel sirkelformet, svært tynn, svært lett og laget av plast eller metall. Som du vet er lyd lufttrykksendringer og disse lufttrykkendringene setter membranen i bevegelse. Membranens ørsmå bevegelser oversettes deretter til elektrisk energi. Måten bevegelsesenergien omsettes til elektrisk energi på varierer fra mikrofontype til mikrofontype , men resultatet er et elektrisksignal som øker og avtar i spenning og som er analogt (tilsvarende) med det varierende lufttrykket forårsaket av lyden.

Siden vi kun har et sett med ører kan man tenke seg at det er mulig å konstruere en mikrofon som passer til enhver anledning, en perfekt mikrofon. Enkelte svært dyre og avanserte mikrofoner er svært nær dette idealet men, siden mikrofonteknologen ikke er perfekt må man kompromisse. En mikrofon som gir en tilnærmet perfekt gjengivelse av lyden i en sammenheng er ikke nødvendigvis perfekt i en annen hvor lyden og de akustiske forholdene er helt annerledes. For eksempel kan en mikrofon lagd for å ha svært liten egenstøy ha dårligere frekvensgang enn en annen mikrofon eller to forskjellige mikrofoner kan ha ulik gjengivelse av lyd som kommer fra forskjellige retninger i forhold til membranen. De færreste kan kjøpe mange nok mikrofoner til å gjøre perfekte opptak i enhver situasjon men, uansett hvilke og hvor mange mikrofoner man har tilgjengelig må man kjenne mikrofonens styrker og svakheter. Her er det erfaring og kunnskap som skiller de gode lydteknikerne fra de ikke fullt så gode.



Karakteristikk

Kule
Alle mikrofoner har en bestemt retningskarakteristikk. Retningskarakteristikk er et utrykk for hvordan mikrofonen registrerer trykkvariasjoner (lyd) fra forskjellige retninger. Enkelte mikrofoner registrerer lyd like godt uansett hvilken retning lyden kommer fra og man trenger ikke å peke mikrofonen mot lydkilden, siden den "hører" likegodt i alle retninger. Dette kalles kulekarakteristikk. Det engelske begrep for kulekarakteristikk er omni. Omni er avledet av det latinske begrepet omnis og betyr noe sånt som "alle". Kulekarakteristikk beskrives med følgende grafiske figur.

Fig. 4: Kulekarakteristikk.

Fig. 4: Kulekarakteristikk.

Den røde prikken i midten av figuren er mikrofonens membran og mikrofonens følsomhet er lik i alle retninger i forhold til membranens posisjon.


Kardoide
Noen mikrofoner er retningsbestemte og registrerer lyd fra bestemte retninger. Dette kalles kardoidekarakteristikk fordi retningskarakteristikken har form som et hjerte (kardio).

Fig. 5: Kardoidekarakteristikk.
Fig. 5: Kardoidekarakteristikk.

Mikrofonen er tenkt plassers i forhold til figuren på følgende vis.

Fig. 6: Kardoidekarakteristikk med mikrofon.

Fig. 6: Kardoidekarakteristikk med mikrofon.

En mikrofon med kardoidekarakteristikk er lite følsom for lyd og lufttrykksvariasjon bakfra. En mikrofon med denne karakteristikken benyttes hvis man ønsker separasjon, dvs. minst mulig lyd fra andre lydkilder enn den som mikrofonen er rettet mot. For eksempel i en innspillingssituasjon hvor flere musikere spiller samtidig i nærheten av hverandre eller når man benytter flere mikrofoner på samme instrument, f.eks. ved opptak av trommesett.

Det at mikrofoner har ulik karakteristikk gjør dem egnet til forskjellige oppgaver. Mikrofoner med kulekarakteristikk har som oftest en mer naturlig klang enn mikrofoner med kardoidekarakteristikk da lyd fra forskjellige retninger gjengis uten farging og endring av frekvensspekter. Til og med i opptakssituasjoner hvor separasjon er viktig vil man av og til foretrekke mikrofoner med kulekarakteristikk da disse gir et mer naturlig resultat som følge av at lyd fra alle retninger gjengis med riktig frekvensspekter i motsetning til ved bruk av mikrofoner med kardoidekarakteristikk hvor lyd fra andre retninger ikke gjengis like godt. Kardoidekarakteristikk gir mindre problemer med feedback i en konsertlyd sammenheng enn kulekarakteristikk, og det benyttes derfor i PA sammenheng stort sett, ja nesten uten unntak, kardoidemikrofoner. Kulemikrofoner er lite, nærmest uegnet til konsertlyd, pga feedback problemer. Mikrofoner med kulekarakteristikk brukes mye til opptak, ikke minst ved stereoopptak hvor det kun benyttes to mikrofoner.

Det finnes flere karakteristikker, f.eks. åttetall, superkardoide og hyperkardoide, men vi skal ikke gå nærmere inn på disse i denne sammenhengen. De fleste mikrofoner har en type karakteristikk men, på enkelte kan faktisk velge, slik som på denne.

 Fig. 7: Neuman 170R. Mikrofon med valgbar karakteristikk.

Fig. 7: Neuman 170R. Mikrofon med valgbar karakteristikk.


Nærtaleeffekten
Mikrofoner med kardoide og åttetallskarakteristikk har noe man kaller nærtaleeffekt. Dette er en forsterkning av lave frekvenser (bass) når lydkilden er nær mikrofonen. Dette skyldes mikrofonenes konstruksjon. Vi skal i denne sammenhengen ikke gå noe videre inn på hvordan dette oppstår annet enn å konstatere at denne effekten inntreffer når avstanden mellom lydkilden og mikrofonen er et par, tre centimeter eller mindre og at den utnyttes av mange vokalister for å få en stor, fyldig stemme. Mikrofoner med kulekarakteristikk har ikke nærtaleeffekten.



Dynamisk
Måten bevegelsesenergien omsettes til elektrisk energi på varierer fra mikrofontype til mikrofontype. En av disse mikrofontypene er den dynamiske mikrofonen. Til den bevegelige membranen er det festet en spole av tynn ledning, ofte enkel kobbertråd. Når lydenergien beveger membranen beveges spolen frem og tilbake i et magnetfelt og det induseres elektrisk energi i spolen. Dette kalles det elektrodynamiske prinsipp. Det er denne elektriske energien som sendes via mikrofonledningen til mikrofonforsterkeren.

Fig. 8: Spole festet til membran beveges i et magnetfelt. Når membranen beveges fram og tilbake induseres en strøm i spolen.

Fig. 8: Spole festet til membran beveges i et magnetfelt. Når membranen beveges fram og tilbake induseres en strøm i spolen.

Dette er samme konstruksjon som en dynamo (slik som du finner på eldre sykler), så den dynamiske mikrofonen er rett og slett et kraftverk i miniatyr. Dette er også den samme konstruksjonen som en høytaler, men har motsatt virkemåte. En høytaler omsetter elektriskenergi til bevegelse, mens en dynamiskmikrofon omsetter bevegelse til strøm.

Fordeler og ulemper
En dynamiskmikrofon er en enkel, solid, robust og holdbar konstruksjon. Det er som oftest ingen elektronikk i selve mikrofonen og den er driftsikker. Mikrofonen kan tåle ekstremt høye lydtrykk. Den er også "selvgående" og trenger ingen tilførsel av spenning eller strøm for å fungere. Ulempen med den er at den har en begrenset frekvens gjengivelse før høye frekvenser siden membranens bevegelse begrenses av spolens masse. Vanligvis kan ikke membranen i en dynamisk mikrofon bevege seg hurtigere enn at den gjengir frekvenser opp mot 16 kHz. Over det reduseres vanligvis gjengivelsen betraktelig. Se f.eks. på følgende figur for frekvensgangen for den dynamiskemikrofonen Shure SM-58.

Fig. 9: Frekvensgang for Shure SM-58. Markert fall i gjengivelsen av frekvenser over 10 000 Hz.

Fig. 9: Frekvensgang for Shure SM-58. Markert fall i gjengivelsen av frekvenser over 10 000 Hz.

Dynamiske mikrofoner produserer lite strøm og har derfor lavt utgangsnivå. Signalet må derfor forsterkes mer enn ved bruk av andre mikrofontyper. Enhver elektrisk konstruksjon har en egenstøy og når man forsterker signalet forsterkes også denne støyen. Dette er sjelden noe problem hvis lydkilden er kraftig, men svake lydkilder fordrer ofte så mye forsterkning at resultatet blir uakseptabelt mye støy. Hvis man kompenserer for dette ved å plasserer mikrofonen svært nært en svak lydkilde kan man pga. nærtaleeffekten risikere at klangen i gjengivelsen avviker fra den opprinnelige klangkarakteren.



Kondensator
Kondensatormikrofonen benytter en annen metode for å omsette bevegelsesenergi til elektriskenergi. Membranen er en tynn metallplate og bak membranen ligger er det en fast bakplate som ikke beveges av endringer i lufttrykk. Disse to metallplatene danner en kondensator som leder strøm. Kondensatorens evne til å lede strøm påvirkes av avstanden mellom platene så når membranen beveges som følge av endring i lufttrykk, endres konstruksjonenes evne til å lede strøm. Det er denne variasjonen i evne til å lede strøm som er utgangspunktet for signalet som mikrofon leverer. Signalet som utledes er svært svakt og må derfor forsterkes før det kan sendes videre i mikrofonledningen. Kondensatormikrofonen innholder derfor en forsterker som forsterker signalet til ønsket nivå. Denne erstatter ikke mikrofonforsterkeren som man finner i for eksempel et miksebord eller i enkelte lydkort.

Fig. 10: Kondensatormikrofonen konstruksjon.

Fig. 10: Kondensatormikrofonen konstruksjon.


Fantommatning
Membranen og bakplata må være elektrisk ladede for at mikrofonen skal virke, så en viktig forskjell fra den dynamiskemikrofonen er at kondensatormikrofoner trenger elektrisk spenning for å fungere. Denne ladespenningen kalles fantommatning. Den mest brukte spenningen for fantommatning er 48 volt. Fantommatningen leverer også strøm til forsterkeren i mikrofonen. Ladespenningen leveres av mikrofonforsterkeren som sitter i mikseren, i lydkortet eller i en separat enhet og leveres via mikrofonledningen. Den samme mikrofonledningen transporterer mikrofonsignalet fra mikrofonen til mikrofonforsterkeren. Det er mulig dette høres avansert ut og kanskje skulle man tro at det kreves spesielle mikrofonledninger men det gjør det altså ikke. Mikrofonsignal og fantommatning transporteres i en helt vanlig, standard mikrofonkabel med tre polet XLR eller Canon kontakt i hver endre.

Fig. 11: XLR kontakter med tre kontaktpunkter.

Fig. 11: XLR kontakter med tre kontaktpunkter.

Det er viktig å påpeke at det må være en standard mikrofonkabel med tre ledere og tre polet kobling (tre kontakt punkter) da man ikke kan transportere mikrofonsignal og fantommatning i en kabel med kun to ledere og to polet kobling slik som f.eks. en to polet jack kontakt.

Fordeler og ulemper
Kondensatormikrofonen har bedre transientrespons enn den dynamiske mikrofonen. Transientrespons er dens evne til å gjengi små, hurtige lufttrykksendringer, altså høye frekvenser. Dette skyldes at den bevegelige membranen i en kondensatormikrofon er lettere enn i en dynamisk mikrofon. Følgende figur viser frekvensgangen for kondensatormikrofonen Schoeps mk2h. Hvis du sammelikner denne med figur 9, som viser frekvensgangen for en kondensatormikrofon, vil du se at denne har en langt bedre gjengivelse for frekvenser over 10 kHz

Fig. 12: Frekvensgang for kondesatormikrofonen Schoeps mk 2h.

Fig. 12: Frekvensgang for kondesatormikrofonen Schoeps mk2h.

Det elektriske signalet fra en kondensatormikrofon er pga. den innebygde forsterkeren, sterkere enn signalet fra en dynamiskmikrofon. Dette gjør den bedre egnet til opptak av svake lydkilder eller i tilfeller der avstanden mellom mikrofonen og lydkilden er stor. Dette gjør også at forholdet mellom grunnstøy og signal blir bedre og at vi dermed får mindre støy fra en kondensatormikrofon enn fra en dynamiskmikrofon.

Kondensatormikrofonen inneholder elektriske komponenter og er derfor mindre robust enn den dynamiske mikrofonen. En kondensator mikrofon vil neppe overleve en flyvetur mot golvet med påfølgende landing mens en dynamiskmikrofon sannsynligvis har godt av det... eller kanskje ikke. Poenget er at kondensatormikrofonen er et mer ømfintlig apparat og tåler mye mindre fysisk påvirkning enn den dynamiske mikrofonen før den går i stykker.

I tillegg til de nevnte dynamiske og kondensator mikrofonene finnes det flere typer, f.eks. båndmikrofoner, kullstøvmikrofoner, pizoelektriske mikrofoner, elektretmikrofoner og undervannsmikrofoner også kalt hydrofoner.



Konstruksjon
Kraftoverføringsenheten (membranet etc.) som omsetter bevegelsesenergien til elektrisk energi er bygd inn i mikrofonhodet, også kalt mikrofonkapselen. Denne er vanligvis plassert bak et beskyttende gitter. I tillegg har mikrofonen en eller annen kropp hvor elektronikk, kontakt og eventuelle betjeningsbrytere er plassert. I de fleste mikrofoner festes selve mikrofonhodet på en sånn måte at vibrasjonene fra håndteringen av mikrofonen reduseres før de når membranen. I tilegg har mange mikrofoner et eller annet filter, ofte av tøy eller skumgummi mellom grillen og mikrofonhodet slik at pusten fra en vokalist eller vind ikke treffer membranen direkte og lager "pop" lyder.

Fig. 13: Gjennomskåret mikrofon, Sennheiser MD 431.

Fig. 13: Gjennomskåret mikrofon, Sennheiser MD 431.

 

Du finner enda mer informasjon om mikrofoner i artikkelen Mikrofoner og opptaksteknikk .




Litteratur
Henningsen, Billy og Bengt L. Eriksen (1992): Mikrofonteknikk. Oslo: Vett & Viten as.

White, Paul (1990): Creative Recording Two. Microphones and recording techniques. Cambridgeshire: Music Maker Books.

Woram, John M. (1989): Sound Recording Handbook. Indianapolis: Howard W.Sams & Company.