Mikrofonien toimintaperiaatteet. Tampereen musiikkiakatemia Studioäänittäminen Klas Granqvist

Transkriptio

1 Mikrofonien toimintaperiaatteet Tampereen musiikkiakatemia Studioäänittäminen Klas Granqvist

2 Mikrofonien luokittelu Sähköinen toimintaperiaate Akustinen toimintaperiaate Suuntakuvio Herkkyys Taajuusvaste

3 Sähköinen toimintaperiaate

4 Luokittelu sähköisen toimintaperiaatteen mukaan Dynaaminen mikrofoni Nauhamikrofoni Kondensaattorimikrofoni Elektreettimikrofoni Kiderakenteinen

5 Dynaaminen mikrofoni

6 Dynaaminen mikrofoni Toiminta perustuu sähkömagneettiseen induktioon Mikrofonin kapselissa on kalvo, johon on kiinnitetty hyvin kevyt kela Kalvon värähdellessä äänenpaineen johdosta, kela liikkuu kalvon mukana Kela sijaitsee niinikään mikrofonin kapselissa sijaitsevan kestomagneetin kentässä Induktiivisen periaatteen mukaan magneettikentässä liikkuvaan kelaan indusoituu jännite, joka voidaan havaita sähköisenä audiosignaalina Havaittu signaali on suhteessa äänen voimakkuuteen

7 Dynaamisen mikrofonin rakenne Kalvo Napakappaleet Ääniaalto N S Magneetti Sähköinen äänisignaali Kela

8 Dynaamisen mikrofonin ominaisuuksia +Melko kestävä ja lujarakenteinen +Voi olla suhteellisen edullinen +Ei ole herkkä kosteudelle +Ei tarvitse ulkoista käyttövoimaa - Usein kalvon ominaisresonanssista korostuma taajuusvasteessa (prescence peak) - Kalvon massaa aiheuttaa vaimenemaa korkeilla taajuuksilla

9 Dynaamisen mikrofonin taajuusvaste

10 Nauhamikrofoni

11 Nauhamikrofoni Toimintaperiaate hyvin samantapainen kuin dynaamisessa mikrofonissa Nauhamikrofonissa ei ole kelaa, vaan pitkänomainen, hyvin ohutta metallia oleva kalvo Kalvo on porrasmaisesti taiteltu Kalvo sijaitsee kestomagneetin kentässä Ääniaallon aiheuttama nauhan värähtely havaitaan sähköisenä aaltona

12 Nauhamikrofonin rakenne Napakappaleet Ääniaalto Sähköinen äänisignaali N S Nauha Magneetti

13 Nauhamikrofonin ominaisuuksia +Erittäin tasainen taajuusvaste +Toistaa korkeat taajuudet tasaisesti +Ei tarvitse ulkoista käyttövoimaa Poikkeuksena aktiiviset nauhamikrofonit +Kevyt rakenne, koska kalvo-kela -yhdistelmää ei ole - Erittäin herkkä puhalluksille ja tuulelle - Phantom-jännite saattaa polttaa kalvon - Sähköinen signaali usein hyvin heikko

14 Nauhamikrofonin taajuusvaste

15 Kondensaattorimikrofoni

16 Kondensaattorimikrofoni Sähköinen toiminta perustuu kapasitanssiin Sähköstaattinen ilmiö Kondensaattorimikrofonissakin on liikkuva kalvo, mutta siihen ei ole kiinnitetty kelaa Kalvo itsessään on metallisoitu Kalvo on sijoitettu hyvin lähelle kiinteää takalevyä Takalevy ja kalvo muodostavat yhdessä kondensaattorin Kyky varastoida sähköistä varausta

17 Kondensaattorimikrofoni Kun kondensaattorimikrofonin kalvo ja takalevy kytketään tasajännitelähteeseen se varautuu Jännitelähteenä toimii yleensä mikrofoniesivahvistimen phantom-jännite Kun ääniaalto saapuu kalvolle, aiheuttaa se kalvon liikkeen suhteessa takalevyyn Kalvon ja levyn etäisyyden muutos aiheuttaa kondensaattorissa varaustilan muutoksia, jotka havaitaan sähköisenä äänisignaalina

18 Kondensaattorimikrofoni Kondensattorimikrofonin toimiessaan synnyttämä sähköinen ääniaalto on melko heikko, joten sen vahvistamiseen käytetään yleensä putki- tai transistorivahvistusta Myös tämä vahvistus voi saada käyttöjännitteensä phantom-jännitteestä Varsinkin putkivahvistimisissa mikrofoneissa komponentit voivat olla niin suuria, että koko vahvistinkokonaisuus on ulkoisessa virtalähteessä Kun takalevy rei itetään, voidaan mikrofonin suuntakuviota muuttaa

19 Kondensaattorimikrofonin rakenne Eriste Ääniaalto Sähköinen äänisignaali Kalvo Takalevy

20 Kondensaattorimikrofonin ominaisuuksia +Erittäin hyvä korkeiden taajuuksien sekä yläääneksien toistokyky +Erinomainen matalien taajuuksien toisto - Suhteellisen kallis - Ulkoisen käyttövoiman tarve - Edullisissa malleissa voi olla suurta vaihtelua taajuusvasteessa - Kosteus ja lämpötila voivat vaikuttaa toimintaan

21 Kondensaattorimikrofonin taajuusvaste

22 Elektreettimikrofoni

23 Elektreettimikrofoni Sähköinen toiminta perustuu niinikään kapasitanssiin Levyjen välille on polarisaatiolla saatu aikaan pysyvä sähkövaraus, jolloin ulkoista käyttövoimaa ei tarvita Usein esivahvistin kuitenkin tarvitsee jännitteen, joka tosin voi olla pienempi kuin phantom-jännitteen 48V Voivat olla hyvin pieniä kooltaan ja suhteellisen edullisia

24 Elektreettimikrofonin ominaisuuksia +Ei tarvitse polarisaatiojännitettä +Pienikokoinen +Suhteellisen edullinen - Voi tarvita ulkoisen käyttövoiman sovitusvahvistimelle (tyypillisesti 1,5 tai 9 V) - Pysyvä polarisaatio hiipuu ajan myötä

25 Pietsomikrofoni

26 Pietsomikrofoni Sähköisesti kiderakenteeseen perustuva toimintaperiaate Keraaminen kide muuttaa muotoaan, kun sitä puristetaan kasaan, ja synnyttää sähköisen signaalin Käytetään usein tilanteissa, jolloin etenkin fyysinen kestävyys on tärkeää Kielisoittimien tallamikrofonit, triggerit, kokeelliset tilanteet, hydrofonit

27 Pietsomikrofonin ominaisuuksia +Pienikokoinen +Usein helppo kiinnittää suoraan äänilähteeseen +Äärimmäisen kestävä +Perusrakenteeltaan edullinen - Taajuusvaste voi olla hyvinkin vaihteleva

28 Akustinen toimintaperiaate

29 Luokittelu akustisen toimintaperiaatteen mukaan Painemikrofoni Paine-eromikrofoni Yhdistelmät

30 Painemikrofoni Painemikrofonin kapselin rakenne on suljettu, ja ainoa ilman kanssa tekemisissä osa on mikrofonin kalvo Painemikrofonin keskeinen ominaisuus on, että se poimii lähes yhtä hyvin ääniä mistä tahansa suunnasta Kaikista suunnista tulevat aallot liikuttavat kalvoa samaan suuntaan Painemikrofonin ominaissuuntakuvio on pallo Kapseli ei kuitenkaan ole täysin tiivis, vaan siinä on pieni paineentasausaukko pitkäaikaisia olosuhteita varten

31 Painemikrofonin rakennekuva Kalvo Kammio

32 Paine-eromikrofoni Paine-ero-, eli painegradienttimikrofonissa kalvo ei ole kammiossa, vaan edestä ja takaa avoin Kalvo ei liiku suoranaisesti ilmanpaineen, vaan kalvon eri puolien välisen ilmanpaine-eron vaikutuksesta Eri suunnista kalvolle saapuvat äänet poikkeuttavat kalvoa eri suuntiin Etu- ja takasuunnasta tulevat äänet ovat eri vaiheessa keskenään Etusuunnasta tulevaa ääntä kutsutaan yleensä positiiviseksi ja takaa tulevaa negatiiviseksi

33 Paine-eromikrofoni Sivusuunnasta mikrofoniin saapuva ääniaalto ei aiheuta kalvon liikettä, koska sen aiheuttama paineero on sama kalvon molemmilla puolilla Paine-eromikrofonin ominaissuuntakuvio on kahdeksikko

34 Paine-eromikrofonin rakennekuva Kalvo

35 Yhdistelmät Painemikrofonin perusmuodon suuntakuvio on pallo ja paine-eromikrofonin kahdeksikko Yhdistelemällä akustisten rakenteiden ominaisuuksia saadaan aikaan muitakin suuntakuvioita Esimerkiksi herttakuvioisessa mikrofonissa molemmat rakenteet ovat käytössä Mikrofoni poimii ääniä kaikista suunnista, mutta edestä päin ääni tallentuu voimakkaampana, koska takaa tulevat kumoutuvat vastakkaisvaiheisina pois

36 Yhdistelmämikrofonin rakennekuva Kalvo Kammio

37 Vaihdettava suuntakuvio Mikrofoniin voi olla kiinnitettävissä erilaisia lisäosia ja -rakenteita, jotka muuttavat suuntakuviota Joissain mikrofoneissa suuntakuvio on kytkimellä vaihdettavissa Kytkimellä vaihdettavissa mikrofoneissa toiminta perustuu yleensä kahteen kalvoon Tyypillisesti kaksi kondensaattorirakennetta, jossa kahdella kalvolla on yhteinen takalevy Nämä kalvot ovat usein ominaissuuntakuvioltaan herttoja, ja eri suuntakuvioita saadaan aikaan kalvojen suhdetta ja vaihetta muuttamalla

38 Vaihdettavasuuntakuvioisen mikrofonin rakenne Eriste Kalvo B Kalvo A Takalevy

39 Kolme yleistä suuntakuviota (Pallo, kahdeksikko, hertta)

40 Suuntakuviot: ympärisäteilevä Omnidirectional (undirectional) Pallo Poimii ääntä yhtä herkästi joka suunnasta Tyypillinen painemikrofonin suutnakuvio

41 Suuntakuviot: ympärisäteilevä

42 Suuntakuviot: kaksisuuntainen Bidirectional, figure-of-eight Kahdeksikko Herkkä suoraan edestä ja suoraan takaa tuleville äänille, suoraan sivulta päin tuleville äänille epäherkkä Painegradienttimikrofonille tyypillinen suuntakuvio

43 Suuntakuviot: kaksisuuntainen

44 Suuntakuviot: kardioidi Unidirectional, cardioid Hertta Herkkä suoraan edestä tuleville äänille, epäherkkä takaa tuleville Herkkyys pienenee siirryttäessä 0-akselilta poispäin

45 Suuntakuviot: kardioidi

46 Suuntakuvioista Yhdistelemällä kolmen pääsuuntakuvion suhteita keskenään saadaan aikaan muitakin suuntakuvioita Superkardioidi Hyperkadrdioidi Leveä kardioidi

47 Suuntakuvioiden yleinen vertailu Suunta- kuvio Ympärisäteilevä, pallo Kardioidi, hertta Superkardioidi Hyperkardioidi Kaksisuuntainen, kahdeksikko Suuntaavuus (3 db) Suuntaavuus (6 db) Vaimentuma (90 ) 0-6 db -8,5 db -12 db - db Vaimentuma (180 ) 0 - db -12 db -6 db 0 Suurin vaimentuma

48 Mikrofonin teknisiä ominaisuuksia

49 Mikrofonin teknisiä ominaisuuksia Mikrofoniin liittyy monia teknisiä ominaisuuksia Taajuusvaste Herkkyys Impedanssi

50 Taajuusvaste Vaste = jonkin asian muuttuminen suhteessa vertailutasoon tai -signaaliin Taajuusvaste ilmaisee sen, kuinka paljon tietyt taajuudet korostuvat tai vaimentuvat mikrofonin muuntaessa äänen sähköiseen muotoon Kuvaajaa katsottaessa aina kiinnitettävä huomiota Y-akselin tiheyteen Samassa kuvaajassa voi olla käyriä varsinaisen akselin lisäksi myös muista kulmista

51 Taajuusvaste

52 Taajuusvaste

53 Herkkyys Herkkyys ilmaisee sen, kuinka suuren sähköisen signaalin mikrofoni tuottaa tietyllä äänenpaineella Herkkä mikrofoni tuottaa suuremman signaalin ja tarvitsee vähemmän vahvistusta Epäherkkä mikrofoni tuottaa pienemmän signaalin, mutta kykenee sietämään suurempia äänenpaineita Tyypillisesti herkkyyden vertailu tasoksi on valitty mikrofoni, joka 94 db:n äänenpaineessa tuottaa 1,0 V jännitteen ulostulojohtimiin Herkkyys ilmoitetaan joko suhteessa vertailujännitteeseen (dbv) tai vertailuäänenpaineen tuottamana jännitteenä (mv/pa)

54 Herkkyys Herkkyys ilmaisee sen, kuinka suuren sähköisen signaalin mikrofoni tuottaa tietyllä äänenpaineella Herkkä mikrofoni tuottaa suuremman signaalin ja tarvitsee vähemmän vahvistusta Epäherkkä mikrofoni tuottaa pienemmän signaalin, mutta kykenee sietämään suurempia äänenpaineita Tyypillisesti herkkyyden vertailu tasoksi on valitty mikrofoni, joka 94 db:n äänenpaineessa tuottaa 1,0 V jännitteen ulostulojohtimiin Herkkyys ilmoitetaan joko suhteessa vertailujännitteeseen (dbv) tai vertailuäänenpaineen tuottamana jännitteenä (mv/pa)

55 Herkkyys Shure SM58 -mikrofonin ilmoitettu herkkyys on -54,5 dbv Kuinka suuri jännite mikrofonin johtimista voidaan mitata 94 db äänenpaineessa? U dbv =20 lg(u 1 /U 0 )

56 Impedanssi Impedanssi kuvaa kaikkien mikrofonin komponenttien aiheuttamaa vastusta, joka pyrkii estämään mikrofonin synnyttämän signaalin kulkua Impedanssi on olemassa sekä signaalin ulostulossa (lähde) ja sisäänmenossa (kuorma)