De (home-)studio 42 - Microfoons V (faseverschillen)

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!

Faseverschillen en faseverschuivingen

Door de vermenging van directe en indirecte signalen treden vaak ongewenste faseverschuivingen op, die resulteren in versterking of verzwakking van de golfvormen (interferentie).

• Faseverschillen roepen voor de waarnemer een ruimtelijk beeld op, want in stereo.
• Faseverschuivingen gelden als ongewenste faseverschillen in een complex van méér signalen.
• Fase-omkering is het omdraaien van de fase, zoals het omdraaien van de plus- en de minpool.

Kamfilter-effect
Wanneer twee signalen duidelijke faseverschillen ondergaan, zal de resultante een signaal zijn met veel pieken en dalen: net als de tanden van een kam. Dit is ook gehoormatig vast te stellen als een soort kleuring van het geluid. Dit gebeurt bij een equalizer met extreme versterking van bepaalde frequentiegebieden. Ook een onzorgvuldige plaatsing van richtmicrofoons kan het geluid onnodig kleuren. Soms is dit negatieve effect ook bewust uit te buiten. Het op de juiste manier uit elkaar plaatsen van een koppel microfoons geeft een door de technicus gewenste tijdsvertraging, die door hem gewenste ruimtelijke effecten oproepen.

Zoals al werd gesteld, zijn wij blijkbaar met onze oren in staat om een geluidsbron in de ruimte te detecteren en te localiseren. Een links van ons gelegen geluidsbron zal door de kortere weglengte het linkeroor namelijk sneller van fase-informatie voorzien dan het rechteroor, waardoor wij de bron links van ons weten te localiseren.

Het verschil in aankomsttijd voor beide oren van een meer zijwaarts gelegen signaalbron staat bekend als Time Of Arrival Difference (= TOA). Het is een belangrijke factor om vast te stellen uit welke richting het geluid komt. In het algemeen is de TOA gerelateerd aan de invalshoek (h.sin.d), waarbij (d) de hoek is ten opzichte van de denkbeeldige as loodrecht op de waarnemer en de afstand (h) tussen onze twee oren (zie foto bovenaan). In een opnamestudio bevindt de technicus zich (hoogstwaarschijnlijk) exact tussen twee luidsprekerboxen (d = 0 graden). De zo optredende faseverschillen zijn nodig voor de ruimtelijke informatie in het stereobeeld.

Haas-effect
Dit effect is voor het eerst beschreven door de Duitse onderzoeker Helmut Haas en wordt het voorrangseffect of ook wel de Wet van het Eerste Golffront genoemd. Wanneer een bepaald signaal wordt afgegeven door twee verschillende geluidsbronnen, zal het menselijk brein deze geluiden als één signaal beschouwen op voorwaarde, dat het tijdsverschil tussen beide signalen minder dan 50 millisec bedraagt. Blijkbaar zijn wij ook in staat om bij deze korte tijdsverschillen (15-25 millisec) te detecteren van welke kant het geluid komt op basis van het eerste golffront, dat ons gehoor bereikt.

Deze bevinding is op te heffen door het vertraagde geluid harder te laten klinken, waarbij de toename in volumeniveau gerelateerd is aan de vertragingstijd. Uiteraard is het menselijk brein hiertoe wel in staat als het tijdsverschil ruimschoots de 50 millisec passeert. De snelheid van het geluid bedraagt op zeeniveau gemiddeld 340 meter per seconde, zodat een relatieve vertraging van een millisec (?1/1.000 deel van één sec) al een verschil in weglengte oplevert van 340/1000 = 0.34 meter ? 34 cm. Volgens deze berekeningen is ons gehoor in staat om onder gunstige omgevingsfactoren tijdsverschillen van 10-20 millisec waar te nemen.

Dit onderscheid is lastiger te maken in een vrij kleine ruimte met sterk reflecterende wanden. In een grote ruimte is het originele geluid gemakkelijker te localiseren aan de hand van de zogenaamde eerste weerkaatsingen (early reflections). Het Haas-effect is een psycho-akoestisch fenomeen, dat geluidstechnici regelmatig uitbuiten.

Faseverschuivingen bij microfoonposities
Met betrekking tot de microfoonpositie geldt, dat bij bepaalde opstellingen het fenomeen van faseverschuivingen juist sterker optreedt, dan bij andere opstellingen waar het gecombineerde signaal juist aan informatie wint. Een geringe verplaatsing van een paar cm meer off-axis kan al een groot verschil uitmaken. Met close miking in een akoestisch droge ruimte gelden deze overwegingen veel minder. De afstand tussen bron en microfoon blijft beperkt en de omgeving heeft in verhouding ook minder invloed op het totale signaal. De AB-opstelling van een uit elkaar geplaatst koppel microfoons is waarschijnlijk de meest voor de hand liggende techniek om stereo-opnamen te maken.

Welke karakteristiek geeft nu de beste opnameresultaten? Een omnimicrofoon vertoont geen nabijheidseffect, maar heeft meestal een vlak frequentiebereik en een goede off axis-reactie. Hieruit volgt ook het eerder genoemde nadeel van een matige registratie van verschillen in richting en volume. Een koppel richtmicrofoons geeft meer ruimtelijk detail, maar is vanwege het drukgradiëntprincipe weer gevoeliger voor faseverschillen. In het audiospectrum zijn de ongewenste faseverschillen te onderkennen door de relatieve afname van de hoge frequenties (door de korte golflengte). Serieuze faseverschillen resulteren in een onduidelijk totaalgeluid.

De 3:1 vuistregel
Om faseverschillen zoveel mogelijk te beperken moet de afstand van de ene microfoon tot de bron ten minste drie keer zo groot zijn als de afstand naar de andere microfoon. Dit geldt met name in opnamesituaties met meer microfoons (multi-miking), die sterk richtingsgevoelig zijn. Als het met de 3:1 vuistregel niet mogelijk is om een goede opstelling voor elkaar te krijgen, bijv. door ruimtegebrek, dan biedt een XY-configuratie van twee microfoons een redelijk alternatief. Een voorbeeld van méér-microfoontechniek is het plaatsen van een koppel overhead-microfoons voor de bekkens bij het opnemen van een drumstel. Dit kan ook als XY-paar. De overige onderdelen van het drumstel hebben in deze fictieve opzet reeds een eigen microfoon toegewezen gekregen.

Praktijktest - faseverschuivingen
Ga met de volgende praktijktest het effect van mogelijk optredende faseverschuivingen na. Plaats een microfoon op enige afstand van de geluidsbron en luister met gesloten hoofdtelefoon naar het binnenkomende signaal. Plaats nu een tweede bij voorkeur gelijke microfoon in de buurt van de eerste microfoon. Door nu de tweede microfoon telkens ten opzichte van de eerste microfoon en de signaalbron te verplaatsen, treden hoorbare veranderingen op in het signaal.

Als het gecombineerde signaal dunner en iel klinkt, staan de microfoons (gedeeltelijk) uit fase ten opzichte van het signaal dat afkomstig is van de eerste microfoon. Een toename van het geluidsniveau komt, doordat het samenvallen van de fasen het gecombineerde signaal versterkt. Het fenomeen van faseverschillen is echter ook uit te buiten, zoals bij een lastig op te nemen instrument, dat onverwacht sterke signaalpieken vertoont. Hiervoor is wel enige ervaring nodig; door nu aan de opstelling een uit fase staande (soortgelijke) microfoon toe te voegen, zullen de hinderlijke (want te luide) signaalpieken op natuurlijke wijze verzwakken. Pas op de oren; verplaats de microfoon voorzichtig en doe dan ook even de hoofdtelefoon af!