De (home-)studio 41 - Microfoons IV
Na een reeks van ongeveer 40 columnachtige artikelen over de homestudio, nu een serie waarin ik in meer detail aandacht schenk aan bepaalde aspecten in en rond de opname- & homestudio. De teksten van deze artikelen zijn gebaseerd op het eerder door mij geschreven 'Het Grote Opnameboek' . Opmerking: ik heb geen financiële belangen (meer) bij de verkoop ervan!
Eigenschappen van microfoons
Technische specificaties (van microfoons) zijn vaak lastig te begrijpen en vergen enige theoretische kennis van geluid techniek. Allereerst vormen de vermelde testspecificaties niet altijd een garantie voor muzikaal verantwoorde geluidsregistraties. Bovendien wijken de meetomstandigheden vaak af van de normale opnamesituaties. Bepaalde specificaties zijn algemeen, zoals de vervorming of het frequentiebereik, maar geven dan weer geen subjectief beeld (goed, warm, steriel?). Hierna volgt een overzicht van belangrijke eigenschappen en specificaties van microfoons.Geluidsdruk
De maximale geluidsdruk geeft het niveau aan, waarmee de microfoon een signaal nog zonder vervorming kan registreren. Dit is aangeduid met Sound Pressure Level (SPL), uitgedrukt in dB en vaak opgegeven met een tolerantie van 1% over de totale harmonische vervorming: (Total Harmonic Distortion, THD). De centrale testfrequentie bedraagt vaak 1 kHz, zodat vervorming door lage frequenties niet in de testmethode is opgenomen. De opgegeven waarde zegt dan helaas niets over de vervorming bij andere frequenties, bijv. bij 100 Hz, hetgeen voor bepaalde toepassingen nodig is om te weten (opnemen van de basgitaar). Een dynamische microfoon kan ongeveer 150 dB(SPL) verwerken, maar het membraan van condensatormodellen is kwetsbaar. Vooral bij hoge geluidsdrukken kunnen de elektronische circuits (pre-amps) overbelast raken, hetgeen een vervormd signaal oplevert. In extreme gevallen kan het membraan beschadigen! Een verzwakker haalt 10 of 20 dB af van het totaal, zodat de microfoon ook inzetbaar blijft bij opnamen met grote volumes. Een SPL<130 dB is voor de meeste microfoons nog verantwoord. Deze geluidsdruk betekent overigens wel gegarandeerde gehoorschade bij de mens!
Dynamisch bereik
Het maximale dynamische bereik is het bereik, dat een willekeurig elektronisch circuit en dus ook een microfoon probleemloos kan verwerken. Het effectieve dynamische bereik is uitgedrukt als het verschil tussen maximaal geluidsniveau waarbij de pieken net oversturen (clipping) en het minimale volumeniveau bij de ruisdrempel (equivalent ruisniveau, A-gewogen). Stel, een microfoon heeft een ruisdrempel van 20 dB (SPL); alsof de microfoon een signaal van
20 dB boven het referentiepunt van 0 dB registreert. Het opgegeven maximale geluidsniveau bedraagt bijv. 140 dB SPL, zodat het effectieve, dynamische bereik op ±120 dB SPL uitkomt.
Gevoeligheid
De gevoeligheid (sensitivity) is het uitgangsniveau van een microfoon bij een bepaalde geluidsdruk. De microfoon krijgt een geluidsdruk van 1 Pascal aangeboden, gemeten bij de standaardfrequentie van 1 kHz. De eenheid Pascal (Pa) komt overeen met een geluidsdruk van 10 microbar (1 Pascal ? 94 dB, A-weighted). De microfoon geeft bij een geluidsdruk van 1. Pascal een bepaalde uitgangsspanning (in milliVolt of mV). 2. Opmerking. Vanwege de relatief lage gevoeligheid staan dynamische microfoons meestal vrij dicht bij de bron (5-15 cm). Condensatormodellen zijn (afhankelijk van de toepassing) op een afstand ergens tussen de 15 á 25 cm en enkele meters te plaatsen. Soms staat de gevoeligheid weergegeven in dBV en is dan gerelateerd aan de decibelschaal. Het referentie-spanningsniveau bij 0 dB en willekeurige impedantie is vastgesteld op 1.000 Volt: 0 dB = 1 Volt/microbar = 1 V/µBar.
Tabel. 2.1. Gevoeligheid van een microfoon, waarbij de dB gerelateerd is aan een referentiedruk P1 van 1.000 V per Pascal. Dit resulteert in een lineaire schaal volgens dB = 20 • 10log (P2/P1); zie voor details ook het appendix-deel van hoofdstuk 8. In deze tabel geldt overigens dat: 1mV/Pa ? 1 mV/10 µBar ? 0.1 mV/µBar.
| dB (1 V/Pa) | mV/10 µBar (P2) |
|---|---|
| -20 | 100.0 |
| -25 | 56.0 |
| -30 | 31.6 |
| -35 | 17.8 |
| -40 | 10.0 |
| -45 | 5.6 |
| -50 | 3.16 |
| -55 | 1.78 |
| -60 | 1.00 |
| -65 | 0.56 |
Ruis
Ruis ontstaat in elk elektronisch circuit als gevolg van de beweging van de elektronen en geldt dus ook voor aansluitingen en verbindingen. De kwaliteit van de elektronische schakelingen is echter mede bepalend voor de uiteindelijke hoeveelheid ruis. Daarnaast veroorzaakt de natuurlijke beweging van de lucht op het membraan een constante achtergrondruis. Dit is het hageleffect van de moleculen op het membraan. Dit wordt tesamen het equivalente ruisniveau of Equivalent Noise Level genoemd (EIN). Dit is omgerekend in een akoestisch ruisniveau (in dB) ten opzichte van de gehoordrempel, ook wel als gewogen waarde weergegeven (A-weighted). Hierbij is rekening gehouden met de relatieve gevoeligheid van het oor voor het middentonen-gebied. De ruis van lage en hoge frequenties is volgens deze bepaling minder belangrijk. Een microfoonvoorversterker (van een goede mengtafel of kanaalstrip) moet over waarden van -127 tot -130 dBu beschikken om te voldoen aan het predikaat zeer ruisarm.
Foto hierboven: een Røde Classic II buizenmicrofoon met 9 richtkarakteristieken, zoals besproken in mijn Infonu-40.
Signaal/ruisverhouding
De signaal/ruisverhouding of signal-to-noise ratio is het verschil tussen het referentieniveau van 1 Pascal (94 dB bij 1 kHz) en het gewogen equivalente ruisniveau (A-weighted). Hoe lager het interne ruisniveau, hoe stiller de microfoon is. Een gevoelige microfoon pakt zachte signalen beter op, waardoor de signaal/ruisverhouding ook beter is en vice versa.
Opmerking. Sommige technici én muzikanten geven de voorkeur aan opnamen met een buizenmicrofoon. Door de typische buizenschakeling is de ruis meestal groter, dan bij gewone condensatormicrofoons met FET-schakelingen. Voor de zang of bronnen met een hoge SPL hoeft dat geen probleem te vormen, maar voor akoestische instrumenten met een laag eigen volume is dit lastiger (gitaar).
Impedantie
De impedantie (Z) of impedance is de weerstand van een apparaat of verbinding onder invloed van een elektrische wisselstroom. In relatie tot microfoons gelden de volgende overwegingen. Een dynamische microfoon heeft meestal een relatief lage impedantie, bijvoorbeeld 600 Ohm. De microfoon heeft een hoge spanningsafgifte, waardoor ook de elektrische lading toeneemt. De kabel krijgt als gevolg hiervan een hogere capaciteit en een hogere impedantie, hetgeen resulteert in een verhoogde gevoeligheid voor elektromagnetische stoorsignalen. Het voordeel van deze constructie is echter, dat aan de kwaliteit van de (microfoon-)voorversterker geen hoge eisen gesteld hoeven te worden. Door korte snoeren (<2 meter) te gebruiken is de invloed van stoorsignalen gedeeltelijk te voorkomen, zeker wanneer de kabels buiten het bereik van versterkers e.d. blijven. Een condensatormicrofoon heeft weliswaar een hogere impedantie, maar het interne circuit transformeert dit eerst naar een lage impedantie (bijv. 200 Ohm), voordat het signaal door de transportkabel loopt. De microfoon heeft daardoor een relatief zwak uitgangssignaal, waardoor ook de capaciteit en impedantie van de transportkabel laag blijven. Door bovendien afgeschermde kabels te gebruiken, is de invloed van externe velden minimaal. De signaaloverdracht blijft dan goeddeels gewaarborgd. Het voorversterkingscircuit bevindt zich in het eindstation (de mengtafel) en hoeft het signaal pas bij aankomst te versterken. Hoogwaardige microfoonvoorversterkers in de mengtafel zijn echter van groot belang en dienen garant te staan voor een strak, helder en vooral stil signaal.
De load impedance is de aanbevolen impedantie van een apparaat (de mengtafel), waarmee een microfoon verbonden is. In de praktijk is deze impedantie (in Ohm) minstens vijf tot tien keer zo groot als van de microfoon. Voor een microfoon met een impedantie van circa 200 Ohm zal een aanbevolen impedantie van 1k/2k Ohm gelden. De impedantie heeft dus invloed op het geluid en daarom worden er nu weer pre amps uitgebracht met een regelbare impedantie.
Als vuistregel geldt, dat een verbinding van een microfoon met een lage impedantie naar een apparaat met hoge impedantie in het algemeen beter werkt, dan andersom. Een afwijkende verhouding in impedantie ontregelt de versterkertrap (in de mengtafel). Dit kan resulteren in een niet-lineaire frequentierespons, waarbij vooral hogere frequenties enigszins verloren gaan.
Laag-af filter
Sommige microfoons zijn voorzien van een bass roll off- (laag-af) filter om de lage frequenties uit het signaal af te zwakken, bijvoorbeeld met een filterhelling van -10 dB bij 75 of 100 Hz. Onder de 50 Hz neemt een willekeurige microfoon in de gewone opnamesituatie, en zeker een dynamisch type, nog maar nauwelijks muzikale informatie op. Ga dus van te voren na of deze informatie van belang is voor de opname en de samenhang met de overige signalen. Gebruik dit filter vooral in situaties waarin ongewenst laag (rumble) de definitie van het signaal verstoort, zoals stoorsignalen die bijv. afkomstig zijn van dreunend verkeer of machines. Als de microfoon geen laag-af filter heeft, gebruik dan het high pass-filter van de microfoonvoorversterker (of mengtafel) om het onnodig laag uit het signaal te weren. Heeft ook een mengtafel deze voorziening niet, filter dan desnoods gewoon een paar dB’s met de 100 Hz LF-toonregelaar. Deze ingrepen zijn ook uit te stellen tot de eindmix waar de balans met de overige signalen wordt bepaald. Een matig opgenomen signaal is niet meer in de oorspronkelijke staat te krijgen, ook niet met toonregeling. En dus moet de opname misschien overnieuw gebeuren.
Frequentiebereik
Het frequentiebereik is het gebied waarin het membraan de geluidstrillingen adequaat kan registreren. Het frequentiebereik is opgegeven als de gevoeligheid (in dB) en gerelateerd aan de centrale frequentie van 1 kHz. Het bereik ligt vrijwel altijd binnen de grenzen van het hoorbare spectrum (20-20.000 Hz). Een vlakke karakteristiek houdt in, dat de microfoon alle frequenties binnen het audiospectrum binnen een bepaalde marge (bijv ±3 dB) ongeveer even hard kan registreren. Sommige microfoons kleuren het geluid door bepaalde frequenties te benadrukken, bijv. in het gebied waar onze oren het meest gevoelig zijn. Deze keuze is vaak onderdeel van de opnamestrategie om zo in de eindmix een goede balans te krijgen.
Proximity-effect
Het nabijheids- of proximity-effect zien we bij gerichte en achtvormige microfoons. Op kleine afstand tot de bron (2-5 cm) naderen de geluidsgolven zowel de voor- als achterkant van het kapsel, waardoor het verschil in weglengte van lage en hoge frequenties sterker wordt. De golflengte is omgekeerd evenredig met de frequentie: lage tonen hebben een lage frequentie en dus een grotere golflengte. De totale constructie van het kapsel, huis en membraan veroorzaakt een specifieke vervorming van de lage tonen. Hierdoor ondergaat het membraan behalve de normaal optredende drukgradiënt ook een drukverschil en het membraan gaat als gevolg hiervan in resonantie; dit resulteert in een gehoormatige versterking van de lage frequenties. De richtmicrofoon heeft haar populariteit te danken aan het proximity-effect, een eigenschap die zangers benutten om het intieme laag van de zangpartij te benadrukken. Een te korte afstand kan de verstaanbaarheid echter doen afnemen. Daarom zijn sommige modellen ontworpen met een verminderde basweergave of voorzien van een bass roll off-filter met bijv. een filterhelling van -10 dB bij 100 Hz. Mogelijk zijn de microfoonvoorversterker of de mengtafel ook voorzien van een dergelijk filter, maar een vervorming van het binnenkomende signaal ten gevolge van het nabijheidseffect is dan niet meer te voorkomen.
Off axis-reactie
De off axis-reactie geeft het reactiepatroon aan van geluidsgolven, waarvan de invalshoek niet op de directe verbindingslijn (= een loodrechte invalshoek) van signaalbron tot het membraan van de microfoon ligt. De off axis-reactie geeft een relatief verlies of verval aan ten opzichte van deze ideale situatie en is weergegeven in dB als een negatief getal ten opzichte van een bepaalde invalshoek, bijv. een reductie van -30 dB bij een hoek van 45 graden. Een microfoon met een gunstige off axis heeft een betere ruimtelijke spreiding en registreert ook de meer zijwaarts gelegen geluiden nog goed. De registratie van hogere frequenties (>1-3 kHz) bepaalt de weergave van het ruimtelijke beeld, vooral bij stereo-opnamen met méér microfoons. Door de specifieke membraanconstructie heeft de drukmicrofoon een gunstiger off axis-reactie dan de drukgradiëntmicrofoon. Daarom vertoont de omnimicrofoon ook nauwelijks verschillen in signaalniveau, dit als functie van de invalshoek van het geluid, die overigens niet voor het hele audiospectrum geldt. De omnimicrofoon pikt echter ook ongewenste signalen van opzij en ook van achteren, die niet altijd welkom zijn. De keuze van een microfoon hangt opnieuw af van de toepassing. Elke model heeft een eigen richtpatroon, waarmee de richtingsgevoeligheid, en dus ook de off axis-reactie, van het membraan voor bepaalde frequentiegebieden is uitgedrukt.
Voorbeelden. Een kleinmembraan microfoon met een rondomgevoelige karakteristiek heeft door de cylindrische vormgeving en geometrie vaak een betere respons op zijwaartse signalen dan een cardioïde grootmembraan model, die eerder wordt ingezet als de afstand tot de bron relatief klein is (zoals de zang). De DPA-microfons (voorheen Bruell & Kjaer) hebben een zeer goede off axis-reactie; de Neumann TLM-103 heeft echter een matige respons.
Phantom power
Phantom power of zwevende voeding is noodzakelijk om de condensator(-microfoon) van de juiste polarisatiespanning te voorzien. Deze benaming is oorspronkelijk afkomstig uit de wereld van de telefonie. Een tweeweg zender/ontvanger systeem was mogelijk door de toevoeging van slechts één extra kabel, terwijl het terugkerende signaal over de bestaande bedrading terugkwam. Een goede mengtafel of microfoonvoorversterker heeft ruisarme voorversterkers, die ook de standaard +48 Volt gelijkspanning kunnen leveren. De verbinding tussen de mengtafel en een microfoon verloopt via gebalanceerde, ook wel symmetrische, 3-aderige kabels om de invloed van elekromagnetische interferentie te beperken. De fantoom-voeding loopt gewoon over deze geleiders zonder het microfoonsignaal te hinderen. De aparte voeding van de microfoonvoorversterker gaat dus gewoon via de signaaldraden van de 3-aderige kabels en voldoet prima, zolang de waarde ongeveer tussen 1-50 Volt blijft. Dynamische microfoons hebben géén zwevende voeding nodig. Ondanks waarschuwingen in die richting is de +48 V spanning voor dit microfoontype in combinatie met een gebalanceerde kabel onschadelijk voor de constructie van stemspoel/magneet. © 2007 - 2008 Coenraad12, gepubliceerd in Diversen (Muziek en Film) op 04-06-2007. Het auteursrecht van dit artikel ligt bij de infoteur. Zonder toestemming van Coenraad12 is vermenigvuldiging van dit artikel verboden. Meer...
Verwante artikelen
- De (home-)studio 01 - Een studio in huis?!: Thuisopnemen? Dit is het eerste artikel uit een reeks van ongeveer 40 stuks, dat vertelt over een aantal nuttige Feiten & Tips in en rond het thuisopnemen van seri…
- De (home-)studio 05 - Akoestiek: In navolging van eerdere bijschriften, vijfde artikel in een reeks van ongeveer 40 columnachtige artikelen over de homestudio, waarin op luchtige wijze diverse aspecten van h…
- De (home-)studio 02 - Een studio in huis?! (deel II): Tweede artikel uit een nog te schrijven reeks van ongeveer 40 artikelen, waarin ik beknopt de belangrijkste Feiten & Tips van het werken in en rond een e…
- De (home-)studio 04 - Vergeten Zaken: Derde artikel in een reeks van ongeveer 40 column-achtige artikelen over het wel-en-wee van de homestudio.
- De (home-)studio 14 - Opnemen van de akoestische gitaar: In navolging van eerdere bijschriften, veertiende artikel in een reeks van ongeveer 40 columnachtige artikelen over de homestudio, waarin op luchtige…
Reageer op het artikel "De (home-)studio 41 - Microfoons IV"
Er zijn nog geen reacties geplaatst op dit artikel.
