Marc Henshall,

Nie ma czegoś takiego jak „uniwersalny mikrofon”. Gdyby takie urządzenie istniało, musiałoby spełniać wiele różnych wymagań; tak wiele, że w praktyce musiałoby się przeistaczać z jednej postaci w kolejną. Po prostu istnieje zbyt dużo zastosowań o bardzo różnych wymaganiach, aby produkować jedno urządzenie, które sprawdza się we wszystkich okolicznościach. Dlatego też, w przypadku braku magicznego mikrofonu, który jest do wszystkiego, tak ważne jest zrozumienie kilku podstawowych właściwości, które pomogą nam w wyborze, a następnie użytkowaniu mikrofonu najbardziej dopasowanego do naszych potrzeb. W poniższym artykule zostanie omówione to, co powinniśmy wiedzieć na ten temat.

TW przypadku mikrofonów są trzy podstawowe aspekty techniczne, które powinniśmy uwzględnić podczas ich wyboru: 1. Typ przetwornika, 2. Charakterystyka kierunkowości (lub wzór biegunowy), 3. Charakterystyka częstotliwościowa. Te trzy właściwości odgrywają kluczową rolę w przechwytywaniu dźwięku i determinują też przydatność danego mikrofonu do określonego zastosowania.

Shure – podstawowe informacje o mikrofonach

(Fotografia powyżej: mikrofon dynamiczny Shure PGA57)

Zrozumienie istoty przetwornika mikrofonowego

Mikrofon jest zasadniczo przetwornikiem, który przekształca energię akustyczną na energię elektryczną. Typ przetwornika jest określany na podstawie zasady jego działania. W tym zakresie wyróżnia się dwa główne typy przetworników mikrofonowych: dynamiczne oraz pojemnościowe.

Mikrofony dynamiczne

Mikrofony dynamiczne są oferowane w dwóch różnych odmianach: z ruchomą cewką oraz wstęgowe. Poniżej przedstawiono sposób ich działania.

Mikrofon dynamiczny z ruchomą cewką jest zbudowany z membrany, cewki głosowej oraz magnesu, co razem tworzy generator elektryczny pobudzany dźwiękiem. Gdy fale dźwiękowe wywierają nacisk na membranę, przymocowana do niej cewka zaczyna poruszać się w polu magnetycznym powodując wytwarzanie sygnału elektrycznego, który odpowiada postaci tych fal dźwiękowych. Ta konstrukcja pozwala na zbudowanie bardzo prostego i solidnego mikrofonu, który może odbierać wysokie poziomy ciśnienia akustycznego bez zniekształceń.

Mikrofony wstęgowe są pewną odmianą zasady działania mikrofonu dynamicznego. Tworzy je bardzo cienka metalowa folia, zazwyczaj zrobiona z karbowanego aluminium, która jest zawieszona między dwoma nabiegunnikami magnesu. Wibracje metalowej folii (wstęgi) spowodowane falą dźwiękową powodują zaburzanie linii pola magnetycznego, co skutkuje powstawaniem napięcia elektrycznego. Poziom sygnału wyjściowego z mikrofonów wstęgowych jest zazwyczaj bardzo niski i w zależności od czułości wejściowej naszego miksera lub urządzenia rejestrującego może być konieczne użycie dodatkowego przedwzmacniacza.

Należy tutaj wyraźnie zaznaczyć, że mikrofony wstęgowe są znacznie delikatniejsze niż mikrofony dynamiczne z ruchomą cewką. Wstęga ma najczęściej grubość nie większą niż kilka mikronów i może być trwale zdeformowana przez silny podmuch powietrza lub przez dmuchanie w mikrofon. Również szkodliwe dla mikrofonu wstęgowego może być włączenie zasilania fantomowego.

Mikrofony wstęgowe są niezwykle cenione w nagraniach studyjnych ze względu na ich ciepłe brzmienie i szeroką charakterystykę częstotliwościową. Ta niewątpliwa zaleta wynika z bardzo małej masy wstęgi, która lepiej reaguje na szybkie transjenty dzięki mniejszej bezwładności. Dlatego też mikrofony wstęgowe mają bardziej liniową charakterystykę częstotliwościową w porównaniu do mikrofonów dynamicznych z ruchomą cewką. Ta cecha sprawia, że są one popularną alternatywą dla mikrofonów pojemnościowych, gdy zależy nam na cieplejszym brzmieniu.

Mikrofon dynamiczny czy pojemnościowy?

Mikrofony pojemnościowe

Przetwornik mikrofonu pojemnościowego składa się z przewodzącej prąd membrany i spolaryzowanej elektrycznie płyty tylnej, co tworzy układ kondensatora wrażliwego na dźwięk. Membrana drga w reakcji na fale dźwiękowe, co powoduje zmiany odległości między membraną a płytą tylną, a tym samym zmianę pojemności tego swoistego kondensatora. To natomiast wpływa na napięcie prądu w obwodzie, w którym znajduje się ten kondensator, tworząc sygnał elektryczny zawierający informację o charakterze odbieranej fali dźwiękowej. Aby poziom tego sygnału był użyteczny, wszystkie mikrofony pojemnościowe mają aktywne obwody elektryczne, często określane jako „przedwzmacniacz”. Obecność przedwzmacniacza oznacza, że mikrofony pojemnościowe wymagają dostarczenia zasilania za pośrednictwem przewodu mikrofonowego i określanego jako fantomowe lub z wykorzystaniem baterii. (Szczegółowe informacje dotyczący zasilania fantomowego znajdują się w naszym poprzednim poście.)

Konstrukcja pojemnościowa pozwala na uzyskanie zdecydowanie mniejszego elementu mikrofonu i cechuje się wyższym poziomem czułości oraz wyrównaną charakterystyką w szerszym zakresie częstotliwości. Główne ograniczenia w przypadku mikrofonów pojemnościowych są związane z obecnością niezbędnego układu elektronicznego. Te obwody mogą obsługiwać określony maksymalny poziom sygnału z przetwornika pojemnościowego. Dlatego też mikrofon pojemnościowy posiada maksymalny poziom ciśnienia akustycznego, po przekroczeniu którego sygnał wyjściowy zaczyna być zniekształcany. Niektóre mikrofony pojemnościowe mają przełączalne tłumiki (pady) między przetwornikiem a obwodem elektronicznym w celu umożliwienia obsługi wyższych poziomów ciśnienia akustycznego.

2. Charakterystyka kierunkowości lub wzór biegunowy

Charakterystyka kierunkowości mikrofonu to jego czułość na dźwięki docierające do niego z różnych kierunków lub pod różnym kątem. Kierunkowość jest zazwyczaj przedstawiana na wykresie określanym jako wzór biegunowy mikrofonu. Wykres wzoru biegunowości przedstawia różnice w jego czułości w zakresie 360 stopni wokół mikrofonu.

Istnieje wiele różnych charakterystyk kierunkowości, z których trzy są najbardziej popularne: wszechkierunkowa, jednokierunkowa oraz dwukierunkowa.

Charakterystyki kierunkowości wykorzystywane do nagrywania wokalu

Mikrofony wszechkierunkowe są w równym stopniu czułe na dźwięki docierające do nich pod różnymi kątami. Ich obszar pokrycia lub inaczej odbioru dźwięku wynosi pełne 360 stopni, co wiąże się zarówno z szeregiem istotnych zalet, jak również wad w zależności od zastosowania. Zaletą mikrofonów wszechkierunkowych jest ich bardzo otwarte i naturalne brzmienie, które jest pożądane w przypadku przechwytywania dźwięków o charakterze organicznym, takich jak na przykład gitary elektrycznej. Z drugiej strony mikrofony wszechkierunkowe odbierają w większym stopniu pogłos pomieszczenia, co może być korzystne w przypadku, gdy mamy do czynienia ze świetną akustyką danego miejsca. W każdym z przypadków balans między dźwiękiem bezpośrednim a otoczenia może być kontrolowany przez zmianę odległości mikrofonu od instrumentu.

W przypadku użycia mikrofonów wszechkierunkowych w warunkach dźwięku na żywo napotkamy na problem ich dużej podatności na sprzężenia zwrotne, zwłaszcza w przypadku, gdy korzystamy z monitorów podłogowych. Z tego też powodu, jeśli chcemy mieć większą kontrolę nad dźwiękiem odbieranym przez mikrofon, zdecydowanie lepszym wyborem będzie w takim przypadku mikrofon jednokierunkowy.

Mikrofony jednokierunkowe wykazują większą czułość na dźwięk docierający z jednego określonego kierunku. Najczęściej spotykanym typem charakterystyki kierunkowości w tej grupie jest charakterystyka kardioidalna. Wzór biegunowy pokazuje największą czułość pod kątem 0 stopni (w osi mikrofonu) i najmniejszą czułość pod kątem 180 stopni (poza osią). Mikrofony jednokierunkowe są wykorzystywane do izolowania pożądanego przez nas dźwięku ze źródła znajdującego się w osi mikrofonu od niepożądanych dźwięków spoza osi mikrofonu. Dla lepszego zobrazowania tej właściwości, mikrofon kardioidalny odbiera tylko około jedną trzecią dźwięków otoczenia w porównaniu do mikrofonu wszechkierunkowego. Umieszczając mikrofon kardioidalny bezpośrednio przy źródle dźwięku i z dala od niechcianych szumów pomieszczenia lub otoczenia możliwe jest znaczące ograniczenie ich obecności w sygnale wyjściowym.

Przełączalne charakterystyki kierunkowości

(fotografia powyżej: KSM44 z przełączalną charakterystyką kierunkowości).

Innymi typami charakterystyki jednokierunkowej są: superkardioidalna oraz hiperkardioidalna. Obydwie te charakterystyki oferują węższy zakres odbioru dźwięku z przodu w porównaniu do charakterystyki kardioidalnej – 115 stopni w przypadku superkardioidalnej oraz 105 stopni w przypadku charakterystyki hiperkardioidalnej, z równocześnie większą izolacją od dźwięków otoczenia. Dodatkowo, podczas gdy mikrofon kardioidalny jest mniej czuły na dźwięki z tyłu (180 stopni poza osią), mikrofon superkardioidalny jest mniej czuły przy 125 stopniach, a hiperkardioidalny przy 110 stopniach. Gdy te mikrofony zostaną właściwie ustawione, zapewniają one bardziej „zogniskowany” odbiór dźwięku w porównaniu do mikrofonu kardioidalnego, ale też wykazują mniejsze tłumienie dźwięków docierających bezpośrednio z tyłu. Jeśli będziemy używać mikrofonów o tych charakterystykach na scenie z monitorami podłogowymi, należy unikać umieszczania monitorów bezpośrednio za mikrofonami. W takim przypadku monitory odsłuchowe należy umieścić z boków mikrofonów, pod takim kątem, przy którym wykazują one najmniejszą czułość.

Rozmieszczenie monitorów podłogowych

Mikrofony dwukierunkowe mają największą czułość zarówno pod kątem 0 stopni (przód), jak również 180 stopni (tył). Są one najmniej czułe z ich boków. Ten mikrofon może być użyty do odbioru dwóch przeciwległych źródeł dźwięku, takich jak na przykład duet wokalny stojący naprzeciw siebie. W większości przypadków mikrofon ten jest wykorzystywany do odbierania dźwięku z jednego tylko źródła.

Inne właściwości związane z mikrofonami kierunkowymi:

Koloryzacja poza osią – Charakterystyka częstotliwościowa mikrofonu może nie być jednakowa przy ustawieniach go pod różnymi kątami. Zazwyczaj zmiany są wyraźnie widoczne w paśmie wysokich częstotliwości, co może powodować uzyskanie nienaturalnego brzmienia instrumentów znajdujących się poza osią lub akustyki pomieszczenia.

Efekt zbliżeniowy (proximity)– W przypadku mikrofonów jednokierunkowych następuje wzrost obecności niskich tonów, gdy mikrofon jest zbliżany do źródła dźwięku. Gdy mikrofon jednokierunkowy znajduje się blisko źródła dźwięku (mniej niż 30 cm), musimy już uważać na pojawienie się efektu zbliżeniowego. Pewnym rozwiązaniem może być użycie podcięcia niskich tonów w celu zapewnienia bardziej naturalnego brzmienia. Możemy tego dokonać przez: 1. stłumienie niskich częstotliwości w mikserze lub 2. użycie przełącznika podcięcia niskich tonów, który jest dostępny w mikrofonie, lub 3. użycie mikrofonu wszechkierunkowego, który nie posiada efektu zbliżeniowego.

Charakterystyka częstotliwościowa

Ostatnim, ale nie mniej ważnym aspektem jest charakterystyka częstotliwościowa. Ten termin odnosi się do zmian w poziomie sygnału wyjściowego lub czułości mikrofonu dla poszczególnych częstotliwości w użytecznym zakresie jego działania – od najniższych do najwyższych.

Praktycznie wszyscy producenci mikrofonów przedstawiają charakterystykę częstotliwością ich mikrofonów podając dany zakres, na przykład od 20 do 20000 Hz. Ten zakres jest zazwyczaj przedstawiony w postaci wykresu, który określa relatywną amplitudę dla każdej częstotliwości. W tym kontekście możemy wyróżnić dwie kategorie: 1) płaską charakterystykę częstotliwościową oraz 2) ukształtowaną charakterystykę częstotliwościową.

Mikrofon, który w jednakowy sposób reaguje na wszystkie częstotliwości, jest określany jako mikrofon z płaską charakterystyką częstotliwościową. Te mikrofony mają zazwyczaj szeroki zakres częstotliwości i bardzo często są wykorzystywane do reprodukcji źródła dźwięku bez jego koloryzowania. Te cechy są pożądane w przypadku przechwytywania dźwięku takich instrumentów jak gitary akustyczne czy fortepiany oraz przy technice z odległym ustawieniem mikrofonu.

Mikrofon, który ma wierzchołki i obniżenia przy danych częstotliwościach, jest określany jako mikrofon z ukształtowaną charakterystyką częstotliwościową. Taka odpowiedź mikrofonu jest zaprojektowana do wzmocnienia określonego zakresu częstotliwości, który jest specyficzny dla danego źródła dźwięku. Na przykład może mieć wzmocnione pasmo w zakresie od 2 do 10 kHz w celu zwiększenia zrozumiałości lub prezencji wokalu. Kolejnym przykładem mogą być mikrofony bębna basowego, które często mają rozszerzone pasmo niskich częstotliwości w połączeniu z podciętym środkiem i podkreślonym pasmem prezencji. Ukształtowana charakterystyka częstotliwościowa pozwala zogniskować dźwięk na wybranych zakresach częstotliwości w wielu konkretnych aplikacjach.

Charakterystyka częstotliwościowa mikrofonu Shure Beta 52

(Ilustracja powyżej: wykres charakterystyki częstotliwościowej mikrofonu bębna basowego Shure Beta52)

Warto wziąć też pod uwagę fakt, że chociaż mikrofony dynamiczne, pojemnościowe i wstęgowe mogą mieć podobną charakterystykę częstotliwością, to jakość dźwięku może być całkiem inna. Pierwszym aspektem mającym wpływ na tę różnicę jest ich charakterystyka transjentowa. Zasadniczo mikrofony pojemnościowe oraz wstęgowe zapewniają bardziej naturalne brzmienie, ponieważ ich membrana lub wstęga może zareagować szybciej, a to skutkuje wyższą czułością wraz z większą ilością szczegółów w wysokich częstotliwościach.

Podsumowanie

Nasz przyspieszony kurs dotyczący przetworników mikrofonów, charakterystyk kierunkowości i charakterystyk częstotliwościowych dobiegł końca. Opanowanie podstaw na tym etapie łańcucha sygnałowego ma zasadnicze znaczenie dla uzyskania znakomitego brzmienia na jego końcu. Jeśli z tego artykułu wyniesiemy tylko jedną rzecz, powinno być nią to, że wejście jest ważniejsze niż wyjście. Zaniedbania, które pojawią się na początku łańcucha sygnału, mogą być przyczyną dużego bólu głowy na jego kolejnych ogniwach. Na szczęście uzbrojeni w te podstawowe wiadomości możemy dokonać już bardziej świadomego wyboru i sprawić – niezależnie czy to w warunkach studyjnych czy pracy na żywo – że wszystko zostanie zrobione właściwie już na samym początku.

Marc Henshall

Marc forms part of our Pro Audio team at Shure UK and specialises in Digital Marketing. He also holds a BSc First Class Hons Degree in Music Technology. When not at work he enjoys playing the guitar, producing music, and dabbling in DIY (preferably with a good craft beer or two).