Microfoon praktijk
Door het sterk toenemend gebruik van mikrofoons komen er veel vragen aangaande kwaliteit en toepassingsmogelijkheden.
De antwoorden op de meeste vragen worden hier gegeven aan de hand van praktische voorbeelden. Het geheel is aangevuld met versterkercircuits voor kristal- en dinamische mikrofoons en een groot aantal algemene gegevens.
In het hifi-tijdperk zijn de mikrofoons wat in de verdrukking geraakt.
Maar al te vaak komt het voor, dat bij zeer goede kwaliteits band- en kassetterekorders, voor opnamen mikrofoons worden gebruikt die in wezen alleen geschikt zijn voor eenvoudige toepassingen.
Aan de andere kant is het geen uitzondering dat bij een disko-installatie alleen voor spraak uitermate kwetsbare en dure tipen worden gebruikt.
Het ligt voor de hand dat bij aankoop van een mikrofoon eerst goed moet worden overwogen waarvoor deze zal worden toegepast, en welke eisen er aan gesteld mogen worden. Vooral het laatst genoemde punt hangt nauw samen met de rest van de elektronische installatie.
Mikrofoons zijn in twee groepen te onderscheiden: de spraak- en kwaliteitsmikrofoons. Beide groepen zullen appart worden bekeken.
Spraakmikrofoons
De meest bekende is wel de koolmikrofoon.
Deze zit tot nu toe in vrijwel iedere telefoon hoewel het zich laat aanzien dat in de toekomst hiervoor andere tipen zullen worden gebruikt. Ontwikkelingen hieromtrent zijn al jaren aan de gang. De koolmikrofoon wordt ook veel toegepast in zendapparatuur die alleen is bedoeld voor spraak.
De werking is erg simpel: geluidsdruk-veranderingen worden omgezet in weerstandsveranderingen. Door de koolmikrofoon op te nemen in een weerstandsdeling, die wordt gestuurd uit een konstante gelijkspanning, ontstaat over de mikrofoon(weerstand) een varierende gelijkspanning.
Karakteristieke eigenschappen van de koolmikrofoon zijn: weinig kwetsbaar, hoge gevoeligheid (ca 40 mV/µbar) en lage eigen-weerstand (30 - 1000Ω).
De vervorming is erg groot en kan tientallen procenten zijn.
Een andere spraakmikrofoon is het kristaltipe. De kwaliteit van een kristalmikrofoon is veel beter dan die van kool. De werking van een kristalmikrofoon is in principe gelijk aan het opnemerelement in een platenspeler. Alleen is nu in plaats van een groeftaster een membraan toegepast.
Ook wordt in plaats van een membraan veel een ekstra kristalsysteem toegepast.
Karakteristieke eigenschappen van kristalmikrofoons zijn: niet erg kwetsbaar, hoge gevoeligheid (0,4-4 mV/µbar), en een vrij hoge eigen weerstand (ca. 100k). Vooral de laatst genoemde eigenschap vereist zeer goed afgeschermde toevoerkabels.
Het toepassingsgebied van kristalmikrofoons omvat meestal alleen spraak. Op hetzelfde principe als kristal- is ook de keramische mikrofoon gebaseerd. De gevoeligheid van dit tipe mikrofoons is ca 10 dB minder dan die van kristal. De kwaliteit kan echter hifi zijn. Verdere karakteristieke gegevens (behalve de geringe kwetsbaarheid) zijn niet te geven, omdat vooral dit tipe mikrofoon sterk uiteenlopende kwaliteitsgroepen kent. Dit betekent ook dat elke groep zijn eigen versterkertipe (van kristal tot dinamisch) behoeft.
Een zeer bizondere spraakmikrofoon is de luidspreker. Deze wordt als zodanig meestal toegepast in intercoms. Vanwege de zeer slechte mikrofooneigenschappen zijn andere toepassingen ondenkbaar.
Bij mikrofoons wordt de gevoeligheid uitgedrukt in mV/µbar (bij 1000Hz). Voor het rekenen aan deze uitdrukking wordt het aantal µbar meestal omgewerkt tot Newton/m2 : 1 µbar = 10-1 N/m2.
Figuur 1. Een geschetste mogelijke konstruktie van een dinamische spoelmikrofoon.
De spoel, die gekoppeld is aan het membraan, bevindt zich in een permanent magnetisch veld. Door luchtdrukveranderingen zal het membraan gaan bewegen en wordt in de spoel een elektrische spanning geinduceerd.
In vrijwel alle gevallen wordt de gevoeligheid van een mikrofoon opgegeven in dB. De referentie hierbij is: 0dB = 1V/µbar (= Eo).
De gevoeligheid van een mikrofoon is: aantal dB = 20log(E/Eo).
Hierin is E de mikrofoongevoeligheid in mV/µbar en Eo de referentie.
Kwaliteitsmikrofoons
Deze zijn te onderscheiden in twee groepen: de dinamische en de kondensatormikrofoons. Aan de laatst genoemde wordt elders in het artikel aandacht besteed. Dinamische mikrofoons werken met een spoel of band. De spoel is het meest in gebruik.
Figuur 1 geeft een eenvoudige schets van een dinamische spoelmikrofoon. De induktiespanning in de spoel ontstaat, doordat het membraan de spoel laat bewegen in een permanent magnetisch veld. De mikrofoon werkt volgens het snelheidsprincipe: E/v = konstant. (E is geluidsdruk, v is de spoelsnelheid).
Wat betreft mechanische konstruktie kunnen kwaliteitsmikrofoons (en sommige spraaktipen) worden onderscheiden in druk- en gradientmikrofoons. Bij de drukmikrofoons wordt de geluidsdruk alleen toegevoerd aan de voorzijde van het membraan. Aan de achterzijde heerst een konstante druk. Hierdoor wordt de richtingsgevoeligheid van een dergelijke mikrofoon zoals is gegeven in figuur 2a.
Figuur 2a. Bij mikrofoons met een 'kogel'-karakteristiek wordt het geluidsveld rondom de gehele mikrofoon als evensterk waargenomen. Dit laatste uiteraard alleen bij een konstante straalafstand tussen de mikrofoon en een punt in het geluidsveld.
Bij gradientmikrofoons wordt de luchtdruk, behalve voor op het membraan, ook via een (meestal ingewikkeld) buisjessisteem aan de achterzijde van het membraan toegevoerd. De mechanische verwezenlijking van dit sisteem bepaalt de 'richtingsgevoeligheid' van de gradientmikrofoon. De figuren 2b t/m 2e geven verschillende veel voorkomende richtingskarakteristieken.
Figuur 2b. Bij een 'nier'-karakteristiek is de geluidsveldwaarneming bolvormig naar de voorkant van de mikrofoon gericht. Alle karakteristieken gaan uit van de lengte-as van de mikrofoon.
Figuur 2c. Schets van een 'acht'-karakteristiek. De waarneming van het geluidsveld staat nu loodrecht op de lengte-as van de mikrofoon en is aan weerszijden bolvormig.
Figuur 2d. Een 'knots'-karakteristiek lijkt erg veel op de kardioide maar is niet bolvormig. Deze karakteristiek is bij uitstek geschikt voor richtmikrofoons.
Figuur 2e. Een mikrofoon met een 'super kardioide'-karakteristiek heeft twee bolvormige geluidswaarnemingsvelden. Beiden liggen in de lengte-as van de mikrofoon. Het sterkste waarnemingsveld ligt voor het mikrofoonkapsel; het andere er achter.
Figuur 3 geeft als voorbeeld een zeer veel gebruikte studiomikrofoon: de Sennheiser MD421. Deze heeft een richtingsgevoeligheid volgens figuur 2b. Over het algemeen geeft men de richtingsgevoeligheid van een goede mikrofoon in een diagram volgens figuur 4, terwijl elke goede kwaliteitsmikrofoon vergezeld hoort te gaan van een frekwentiekarakteristiek volgens figuur 5. Deze karakteristiek hoort te zijn gemaakt van de betreffende mikrofoon. De karakteristiek volgens figuur 5 is van een bepaalde sennheiser MD421.
Figuur 3. Een foto van een studio-richtmikrofoon die regelmatig op de televisie is te zien: de Sennheiser MD421. De mikrofoon is dinamisch Ispoell en wordt geleverd in hoog- en laagohmige uitvoering.
Figuur 4. Een richtingsdiagram van de MD421. Zoals uit de figuur blijkt wordt een dergelijk diagram gemaakt voor zes verschillende frekwenties. Duidelijk is de 'nier'-karakteristiek uit het diagram af te lezen.
Figuur 5. Frekwentie-karakteristiek van een mikrofoon, omgeven door de maksimaal toelaatbare afwijkingen.
Zoals uit de grafiek blijkt wordt 1kHz als referentie gebruikt.
Normaal wordt iedere kwaliteitsmikrofoon afgeleverd met een dergelijke grafiek. De grafiek is dan speciaal gemaakt van de desbetreffende mikrofoon. Een dergelijke grafiek wordt ook meestal geleverd bij kwaliteitsplatenspelerelementen zoals de GP412 van Philips.
Uit het diagram volgens figuur 4 blijkt dat de mikrofoon een goede `voor-achter'-verhouding bezit. Dit houdt in dat geluid achter de mikrofoon in verhouding slecht wordt opgenomen.
Een dergelijke mikrofoon leent zich uitstekend voor zang op podia. Geluid uit de zaal komt in verhouding tot de zang op het podium slecht door, wat meestal ook de bedoeling is.
Dinamische mikrofoons komen voor in sterk verschillende uitvoeringen en prijzen. Over het algemeen is de kwaliteit evenredig met de prijs. De kwetsbaarheid van de mikrofoon wordt groter naar mate de kwaliteit toeneemt. Hoewel een dinamische mikrofoon zelf altijd een vrij lage weerstand heeft, komt ze toch voor in drie tipen: laagmidden- en hoogohmig. Dit ligt eenvoudig aan het feit of er een aanpassingstrafo is ingebouwd. De laagohmige tipen hebben geen aanpassingstrafo, en de spanningsafgifte is gering (ca 0,2mV/pbar). De hoogohmige bezitten altijd een aanpassingstrafo. De spanningsafgifte is veel groter: ca 2mV/µbar.
Over het algemeen zijn de meeste dinamische mikrofoons a-simmetrisch, d.w.z. een signaalleiding met als nul de afscherming.
Bij studiotoepassingen van mikrofoons, waar lange leidingen veel storing kunnen veroorzaken, worden meestal simmetrische mikrofoons gebruikt. Hierbij worden beide aansluitdraden als signaalleiding benut, terwijl er een speciale ekstra afscherming omheen ligt.
De tabel geeft verschillende DIN-normen aangaande dinamische- en kondensatormikrofoons. De aansluitpunten hebben betrekking op de bekende 3- en 5-polige DIN-stekers volgens figuur 6. Naast deze stekers worden ook veel andere tipen toegepast, maar de aansluitkodering hiervan is vrijwel altijd die volgens figuur 6.
| Mikrofoonsoort | DIN-plugkontakt (figuur 6). | Aansluiting |
|---|---|---|
| dinamisch, mono L asimmetrisch | 2 en 3 | |
| dinamisch, mono N simmetrisch | 1 en 3 | |
| dinamisch, stereo SN simmetrisch | 1 en 3 4 en 5 | linker mikrofoon rechter mikrofoon |
| dinamisch, mono M asimmetrisch | 2 en 3 | |
| dinamisch, mono H asimmetrisch | 1 en 2 | naar aanpassingseenheid |
| dinamisch, stereo SH asimmetrisch | 1 en 2 4 en 2 | aanpassingseenheid linker mikrofoon aanpassingseenheid rechter mikrofoon |
| dinamisch, mono HN 50 - 300Ω | 3 en 2 | laagohmig direkt |
| dinamisch, mono HL 25 - 150k | 1 en 2 | naar aanpassingseenheid |
| kapacitief, mono C 500 - 3000p | 1 en 2 | |
| kapacitief, stereo SC 500 - 3000p elk | 1 en 2 4 en 2 | linker mikrofoon rechter mikrofoon |
| C | kapacitief 500.... 3000p |
| H | hoogohmig 25 .... 125k (Ri) |
| L | laagohmig 50 .... 500e asimmetrisch (Ri) |
| M | middenohmig 500.... 5000e (Ri) |
| N | laagohmig 50 .... 300e simmetrisch (Ri) |
| S | stereo |
| KONTAKT 2 IS ALTIJD MASSA |
Figuur 6. De overbekende 3- en 5-polige DIN-stekers gezien vanaf de draadaansluitzijde.
Afbeelding A en C zijn stekers. B en D zijn de zogenaamde 'chassisdelen' of kontra-stekers.
Aanvullend op de tabel moet worden gezegd dat bij de kleurkodering voor stereomikrofoons geel links, en rood rechts is.
Kristalmikrofoonversterker
Figuur 7 geeft een praktische kristalmikrofoonversterker.
Figuur 7. Een praktische kristalmikrofoon(meng)-versterker. De transistoren T1/T2 vormen de versterker voor de eerste mikrofoon, en T4/T5 voor de tweede.
Punt A is het eigenlijke mengpunt. Hierop kunnen nog meer mikrofoonversterkers worden aangesloten. Via een weerstand van 100 k kunnen ook andere eenheden (platenspelers, bandrekorders) op punt A worden aangesloten.
De uitgangsspanning van de schakeling (volgens figuur 7) is eff. ongeveer 1 V.
De transistoren T1/T2 vormen de versterker voor mikrofoon 1, en T4/T5 voor mikrofoon 2.
Via de volumepotmeters P1 en P2 met de mengweerstanden R6 en R15 komen beide mikrofoonsignalen samen op kondensator C3. Transistor T3 is de meng- en uitgangsversterker. Op kondensator C4 is het gemengde mikrofoonsignaal beschikbaar om te worden toegevoerd aan een eindversterker. De signaalgrootte op C4 is maksimaal ongeveer effektief 1 V. De uitgangsimpedantie is ongeveer 1 k.
Punt A in figuur 7 kan worden beschouwd als universeel mengpunt. Hierop kunnen (via 100k weerstanden) andere mengsignalen worden aangeboden die ook een amplitude van ca 1 V hebben. De impedantie op punt A is ongeveer 50k als P1 en P2 in de minimum stand staan. Het aantal mikrofoonversterkers kan worden uitgebreid tot maksimaal acht. Voor elke ekstra kristalmikrofooningang is een versterkercircuit nodig volgens T1/T2 met bijbehorende volumeregelaar (P1) en mengweerstand. Op de versterker-ingangen kunnen vrijwel alle tipen kristalmikrofoons worden aangesloten (Ri = 600k).
Over de versterkertrappen is een kondensator CX gestippeld. Deze kondensator kan worden toegepast als de mikrofoon alleen voor spraak wordt gebruikt. Door deze kondensator wordt het `hoog' van de frekwentiekarakteristiek afgekapt.
Uiteraard is het schema volgens figuur 7 ook geschikt voor platenspelers met kristalelementen.
Dinamische mikrofoonversterker
Figuur 8 geeft het schakelschema van een voorversterker (met mengmogelijkheden) voor dinamische mikrofoons. Op de ingang kan een mikrofoon worden aangesloten (a-simmetrisch) die is voorzien van een aanpassingstrafo. Deze aanpassingstrafo mag maksimaal een belastingsimpedantie hebben van 125k.
Figuur 8. Een dinamische-mikrofoonversterker voor hoogohmige tipen (maksimaal 125k afsluitimpedantie).
De mikrofoonversterker wordt gevormd door de transistoren T1/T2. Transistor T3 is bedoeld als mengtrap. Op mengpunt A kunnen meerdere mikrofoonversterkers worden aangesloten. Deze kunnen alle via een volumepotmeter en een 100k mengweerstand aan punt A worden gekoppeld.
De uitgangsspanning van de schakeling is ongeveer effektief 1V.
Normaal is een aanpassingstrafo bij de mikrofoon ingebouwd. Vanwege stoorinvloeden is het echter beter dat een laagohmige mikrofoon wordt toegepast, en de trafo vlak bij de versterker-ingang wordt gemonteerd.
De eigenlijke mikrofoonvoorversterker wordt in figuur 8 gevormd door T1 en T2. Potmeter P1 is de volumeregelaar. Via mengweerstand R8 en kondensator C5 komt het mikrofoonsignaal op transistor T3. Deze zorgt voor een laagohmige uitgang (ca 1 k). De maksimale uitgangsspanning is ongeveer effektief 1 V, zodat het signaal direkt op een eindversterker kan worden aangesloten.
Op mengpunt A in figuur 8 kunnen meerdere voorversterkers worden aangesloten, die dan alle, via een volume-potmeter van 22k en mengweerstand van 100k, op dit punt samen komen. Als er meer dinamische mikrofoonversterkers nodig zijn kan hetzelfde versterkerdeel uit figuur 8 (T1/T2) nogmaals worden toegepast. Ook kan de kristalmikrofoonversterker uit figuur 7 op mengpunt A worden gekoppeld. Genoemd punt A komt dan aan hetzelfde punt in figuur 7.
Als de mikrofoon alleen voor spraak wordt gebruikt, kan in de voorversterker een kondensator Cx van 220p worden geplaatst.
Omdat de voorversterker volgens figuur 8 behoorlijk moet versterken (ca 100x) is de voeding ekstra ontkoppeld met een weerstand (R12) en kondensator (C4).
Simmetrische mikrofoonversterker
Bij professionele toepassingen van dinamische mikrofoons is het wenselijk dat de mikrofoon simmetrisch wordt aangesloten. Dit vooral als er kabels van meer dan 10 meter worden toegepast.
Door de grote kabellengte wordt er meestal nogal wat storing in de leiding geïntroduceerd. Deze storing is op beide signaaladers in faze, en kan daarom in een differentieversterker goed worden onderdrukt. Ter verduidelijking geeft figuur 9a een a-simmetrische mikrofoonaansluiting. Figuur 9b geeft een simmetrische. Hierbij zijn beide aansluitdraden van de mikrofoon als signaalleiding benut.
Figuur 9. Bij een a-simmetrische mikrofoon (afbeelding Al wordt een geleider benut als signaaldraad, terwijl de afscherming hierom meestal de nul vormt.
Bij lange toevoerdraden is een simmetrische mikrofoon (afbeelding B) beter, omdat beide mi krofoon-aansluitdraden signaal voeren ten opzichte van de afscherming.
Stoorinvloeden van buiten zullen in beide aders even sterk optreden, en kunnen in een verschilversterker worden onderdrukt.
De afscherming om beide aders wordt verbonden met de voedingsnul van de simmetrische voorversterker.
Figuur 10 geeft het schakelschema van een simmetrische voorversterker voor dinamische mikrofoons. De schakeling is ontworpen voor hoogohmige aansluiting. Het is dus noodzakelijk dat de dinamische mikrofoon is voorzien van een aanpassingstrafo. Als differentie-versterker wordt in figuur 10 een µA741 gebruikt. Deze wordt gevolgd door een versterkertrap T1 , een volumepotmeter P1 en de uitgangstrap T2. Op kondensator C8 is het mikrofoonsignaal beschikbaar met een amplitude van ca 1V als potmeter P1 in de maksimum stand staat.
Figuur 10. Een simmetrische mikrofoonversterker.
De maksimale afsluitimpedantie op de ingangen is 125k. De versterking van de schakeling is ca 100x (maksimum).
Kondensatormikrofoons
De z.g. kondensatormikrofoons zijn wel de beste die er bestaan. Ze worden meestal alleen bij professionele apparatuur benut. Ook kondensatormikrofoons zijn te verdelen in verschillende soorten. In een volgend artikel betreffende 'mikrofoons in de praktijk' wordt de kondensatormikrofoon uitvoerig besproken.