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"tonband" - Heft 2 • August 1964 • 1. Jahrgang
"Mikrofone, ihre physikalischen Prinzipien und Qualitätsmerkmale" Teil 1 - alle Artikel von Otto Diciol

Vorbemerkung : Das ist eine Buchstabenwüste allererster Güte.

Selbst dem Fachhändler fehlt das Wissen

Bei dem vielfältigen Angebot an Mikrofonen wird es dem Amateur nicht leicht gemacht, das für ihn passende zu finden. Der Fachhändler wird ihn auch nicht immer richtig beraten können, weil ihm einfach die Übersicht fehlt.

Häufig wird auch übersehen, wie wichtig das Mikrofon für eine gute Tonbandaufnahme ist. „Das Mikrofon ist das Objektiv des Tonbandgerätes" lautete einmal der Werbe-Slogan eines Mikrofon-Herstellers. Das ist nur zu wahr. Was nützt eine hochwertige Kamera, die eine ,.Glasscherbe" als Objektiv hat! Bei dem heutigen technischen Stand der Tonbandgeräte ist in den meisten Fällen, aus Unkenntnis oder falscher Sparsamkeit, das Mikrofon das schwächste Glied in der Aufnahmekette. In der Wiedergabe ist es beim Amateur übrigens meistens der Lautsprecher.

Die Kette und ihr schwächstes Glied . . .

Nun ist es aber ein alter physikalischer Grundsatz, daß keine Kette stärker ist als ihr schwächstes Glied. Was das Mikrofon an Schallinformation nicht aufnimmt, in entsprechende elektrische Impulse umwandelt und weitergibt, kann auch das beste Tonbandgerät nicht wiedergeben. Die Aufnahmen klingen bei der Wiedergabe unecht. Häufig wird dem daran unschuldigen Tonbandgerät dann ein Vorwurf gemacht, und die Freude an den so reizvollen eigenen Mikrofonaufnahmen wird dem Amateur verleidet.

Mit dem Mikrofon fängt alles an

Das Mikrofon ist das erste Glied in der Kette der Geräte, die zur Schallaufzeichnung notwendig sind. Es soll die beim Besprechen auftretenden komplizierten Schalldruckschwankungen der Schallquelle ohne Verzerrungen und ohne Weglassen oder Hinzufügen in elektrische Spannungsschwankungen umwandeln. Dabei sind folgende Eigenschaften, auf die wir nachfolgend noch zu sprechen kommen und die in den Tabellen aufgeführt sind, für die Beurteilung der Güte eines Mikrofons wichtig: Frequenzumfang, Frequenzgang, Richtwirkung (Hörkennlinie), Empfindlichkeit, Störgeräuschfreiheit, Verzerrungsfreiheit, Robustheit bei mechanischer Beanspruchung und Witterungseinflüssen, Einsatzbereitschaft und innerer Widerstand.

Erst mal nur die Luftschall-Mikrofone

Eine grobe Einteilung der Mikrofone nach ihrer Wirkungsweise wäre die in Luftschall- und Körperschall-Mikrofone. Wir befassen uns hier nur mit den Luftschall-Mikrofonen. Bei diesen stößt die Schallquelle zuerst Luftteilchen an, die dann wiederum die Membran in Bewegung setzen. Bei den Körperschall-Mikrofonen, die eigentlich nur in der Medizin und zur Prüfung und Überwachung von Maschinen eingesetzt werden, wird die Membran direkt mechanisch mit der Schallquelle (Herz, Motor, Kehlkopf) gekuppelt.

Nach der Art, wie die über die Luft von der Schallquelle angeregte Membran ihre Bewegung in eine EMK (elektromotorische Kraft) umsetzt, unterscheidet man folgende Mikrofone nach ihrem elektrischen und akustischen Verhalten:

A) Kohlemikrofon

Nur der Vollständigkeit halber soll das Kohle- oder Kontaktmikrofon hier erwähnt werden. Für den Amateur hat es heute keine Bedeutung mehr, es wird in größerem Umfang nur noch im Fernsprechwesen benutzt. Man sagt vom Kohlemikrofon, es sei „ein zum Prinzip erhobener Wackelkontakt". Die, je nach Ausführung, leitende (Längsstrom-Mikrofon) oder nichtleitende (Querstrom-Mikrofon) Membran übt bei der Schwingung einen Druck auf die Kohlepulverfüllung aus. Der innere Widerstand dieser Füllung, die in Reihe mit einer Gleichspannungsquelle und der Primärseite eines Übertragers liegt, wird dadurch verändert. Es entstehen Spannungsschwankungen in der Sekundärseite des Übertragers.

Die älteren Leser kennen sicher noch das in der Anfangszeit des Rundfunks benutzte "Reisz"-Mikrofon, das bekannteste Querstrom-Kohlemikrofon. Ein viereckiger, schalltoter Marmorblock hing an Federn erschütterungsfrei in einem Ring. Es wurde, ebenso wie der einmal sehr beliebte „Dralowid-Reporter", vor dem Kriege viel von Amateuren benutzt. Die in jedem Fernsprechapparat befindlichen Kohlemikrofone arbeiten dagegen nach dem Längsstrom-Prinzip, haben also leitende Membranen.

Kohlemikrofone sind robust und haben eine gute Empfindlichkeit. Sie benötigen aber eine Gleichspannungsquelle, rauschen stark und sind witterungs- und erschütterungsempfindlich.
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B) Kristallmikrofone

Kristallmikrofone wurden in der Anfangszeit der Heim-Tonbandaufnahme sehr viel benutzt. (Anmerkung : gemeint ist die Zeit nach 1952, als es überhaupt die ersten Bandgeräte zukaufengab.) Da sie hochohmig sind, ließen sie sich leicht an die meist heute noch hochohmigen Mikrofon-Eingänge der Tonbandgeräte anschließen. Das Kristallmikrofon arbeitet, wie auch die Kristall-Tonabnehmer, nach dem sogenannten „piezo-elektrischen Effekt". Wird ein aus einem bestimmten Kristall geschnittenes Blättchen so eingespannt, daß es frei schwingen kann und dann (durch die schwingende Membran) unter Druck gesetzt, so treten elektrische Spannungen auf.

Einfachere Kristall-Mikrofone, die eine höhere Spannung abgeben, sind Membran-Mikrofone. Die sogenannten Klangzellen-Mikrofone arbeiten ohne Membran und sind durchaus als Studio-Mikrofone zu bezeichnen. Sie sind auch entsprechend teuer.

Trotz ihrer akustischen Güte werden Kristallmikrofone nicht mehr viel benutzt. Sie haben einige für den Amateur störende Nachteile. Sie sind in erster Linie temperatur- und feuchtigkeitsempfindlich. Da ihr Widerstand rein kapazitiv ist und der Eingangswiderstand des Tonbandgerätes sehr hochohmig sein muß, können sie nicht über lange Kabel angeschlossen werden. Andernfalls tritt eine Verminderung der Empfindlichkeit ein, und bei schlecht abgeschirmten Kabeln treten Brummstörungen auf.

C) Magnetische Mikrofone

Auch das magnetische Mikrofon soll nur der Vollständigkeit halber erwähnt werden. Jeder magnetische Kopfhörer läßt sich, mit entsprechendem Ergebnis, als magnetisches Mikrofon benutzen. Zur Erzielung des „Telefon-Klangs" ist es ganz brauchbar; es ist also bestenfalls zur Sprachaufnahme ohne Qualitätsansprüche zu benutzen. Beim magnetischen Mikrofon schwingt eine aus magnetischem Werkstoff gefertigte Membran im Magnetfeld eines mit einer Spule umgebenen Permanentmagneten. Durch die Schwingung der Membran ändert sich der magnetische Fluß und erzeugt eine EMK in der Spule. Als Spezialausführung, die dann aber schon mehr einem Tonabnehmer ähnelt, wird das magnetische Mikrofon z. B. bei Gitarren als Instrumenten-Mikrofon zur elektrischen Übertragung benutzt.
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D) Dynamische Mikrofone

Zur Gruppe der dynamischen Mikrofone gehören die Bändchen- und die Tauchspulen- (oder auch Tauchspul-) Mikrofone. Diese Gruppe interessiert den Amateur am meisten, denn die dynamischen Mikrofone haben sich dank ihrer vielen Vorteile in den letzten zehn Jahren fast restlos die Studios der Tonbandamateure erobert.

Sie werden heute in einer Güte geliefert, daß sogar Film, Funk und Fernsehen sie viel benutzen; und das bei einem Preise, der auch Amateuren die Anschaffung erlaubt. Das Tauchspulenmikrofon entspricht in seiner Konstruktion dem dynamischen Lautsprecher. An der Membran ist eine Spule befestigt, die im Rhythmus der Membranschwingungen in das Magnetfeld eines Permanentmagneten eintaucht. Dadurch entsteht in der Spule, die niederohmig ist, eine EMK.

Beim Bändchenmikrofon fehlt die Membran und die Spule. An ihre Stelle tritt ein dünnes, meist geripptes Aluminiumbändchen, dessen geringer Widerstand durch einen gleich im Mikrofon eingebauten Übertrager auf 200 Ohm transformiert wird. Bändchenmikrofone sind durch das dünne Bändchen meist mechanisch etwas empfindlicher als Tauchspulenmikrofone. Besonders die Unsitte der Bereitschaftsprüfung durch „Anblasen" vertragen sie schlecht.
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E) Kondensatormikrofone

Das Kondensatormikrofon wird auch heute noch im Studiobetrieb der Rundfunk- und Fernsehanstalten wegen seiner höchsten Wiedergabetreue benutzt. Für den Amateur wird es in den meisten Fällen zu teuer sein, er könnte die Qualität auch nur selten ausnutzen. (Anmerkung : Das galt natülich nur für die Zeit um 1964 bis zum Markt-Einstieg der Japaner und Chinesen.)

Das Kondensatormikrofon, das man auch als statisches Mikrofon bezeichnet, hat eine leitende Membran, die mit einer nur Bruchteile eines Millimeters entfernten Gegenelektrode einen veränderlichen Kondensator bildet. An diesen Kondensator wird eine feste Gleichspannung von etwa 100 bis 200 Volt gelegt. Durch die auf die Membran auftreffenden Schallwellen verändert sich die Kapazität des Kondensators aus Membran und Gegenelektrode im Rhythmus, und es wird an einem angelegten Widerstand eine Wechselspannung erzeugt. Da diese Spannung sehr gering ist, muß unmittelbar am (Niederfrequenz-)Kondensatormikrofon eine Verstärkerröhre sitzen.

Inzwischen hat man sogenannte Hochfrequenz-Kondensatormikrofone entwickelt, die mit Transistoren arbeiten und statt der hohen Gleichspannung nur eine kleine Hochfrequenzspannung benötigen.

Eine weitere Einteilung aller Mikrofonarten kann man in Druck- und Druckgradientenmikrofone vornehmen. Wird die Membran gleich welchen Mikrofones nur von einer Seite dem Schalldruck ausgesetzt, so spricht man von einem Druckmikrofon. Druckmikrofone haben eine kugelförmige Richtcharakteristik oder Hörkennlinie, sie nehmen also den Schall von allen Seiten auf. Wird dagegen die Membran von beiden Seiten von den Schallwellen erreicht, so handelt es sich um ein Druckgradientenmikrofon mit einer bestimmten Richtwirkung.

Gütemerkmale eines Mikrofons

Ein Mikrofon soll alle Töne gleich gut aufnehmen und in Wechselspannungen umsetzen. Das bedeutet, daß der Frequenzumfang von den tiefsten bis zu den höchsten Tönen reichen soll, genau wie beim Tonbandgerät. Wie bei diesem reicht aber die Angabe des Frequenzumfangs von z. B. 40 Hz bis 15000 Hz nicht aus.

Sie sagt nicht aus, ob diese Frequenzen auch alle gleich gut aufgenommen und umgewandelt werden. Dazu benötigt man die Angabe des Frequenzgangs. Er gibt, wie auch die graphische Frequenzkurve, die Abweichungen vom geradlinigen, also angestrebten Frequenzgang an.

Die Richtcharakteristik, Empfindlichkeit und Störgeräuschfreiheit

Die Richtwirkung, Richtcharakteristik oder Hörkennlinie richtet sich nach dem Verwendungszweck des Mikrofons. Wir kommen darauf noch zu sprechen. Die Empfindlichkeit eines Mikrofons wird in mV/ub (Millivolt je Mikrobar) ausgedrückt. Man mißt also den Schalldruck, der das Mikrofon trifft, in Mikrobar und die dadurch vom Mikrofon erzeugte Spannung in Millivolt. Dabei gilt als Faustregel, daß ein Sprecher bei normaler Sprechlautstärke im Abstand von etwa 30cm im Mikrofon einen Schalldruck von ungefähr 5ub erzeugt. Hat ein Mikrofon also eine Empfindlichkeit von 0,2 mV/ub, so liefert es bei der angegebenen Besprechung bereits 1 mV.

Handelt es sich bei dem Mikrofon um ein niederohmiges Tauchspulenmikrofon, dem ein Übertrager von 1:20 folgt, so stehen bei diesem Beispiel an der Ausgangsseite des Übertragers bereits 20mV zur Verfügung.

Die Störgeräuschfreiheit ist schwerer zu definieren. Störgeräusche setzen sich beim Mikrofon aus mehreren Komponenten zusammen. Da ist zuerst einmal das Eigengeräusch, das jedes Mikrofon besitzt. Es ist aber bei den heute verwendeten Mikrofonen so gering, daß es vernachlässigt werden kann. Störender kann schon eine gewisse Handempfindlichkeit des Mikrofons, ein Brummen oder Windempfindlichkeit sein. Gegen diese drei Störgeräusche kann man sich leicht schützen. Läßt sich das handempfindliche Mikrofon nicht mit einem Stativ benutzen, muß es ohne Fingerbewegung (Vorsicht mit Ringen!) fest gehalten werden. Brummen läßt stets auf schlecht oder nicht abgeschirmte Kabel oder Übertrager bei dynamischen Mikrofonen schließen. Gegen Windgeräusche aber gibt es für alle besseren Typen einen Windschutz; zur Not tut es auch ein Damenstrumpf, der über das Mikrofon gezogen wird.
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Die Verzerrungsfreiheit

Auch die geforderte Verzerrungsfreiheit ist bei den heutigen Mikrofonen je nach Preislage leicht zu erreichen. An der Spitze stehen auch da die Kondensatormikrofone. Dagegen werden die weiter geforderten Merkmale, Robustheit bei mechanischer Beanspruchung und Witterungseinflüssen, Einsatzbereitschaft und (niedriger) innerer Widerstand ideal von den Tauchspulenmikrofonen erreicht. Sie sind mechanisch robust und vertragen (möglichst mit Windschutz) auch mal Regen, bestimmt aber hohe Luftfeuchtigkeit. Ihre Einsatzbereitschaft ist vorbildlich, da sie, im Gegensatz zu Kondensatormikrofonen, keine Spannungsquelle benötigen. Der Innenwiderstand von meist 200 0hm ist ideal, er erlaubt Kabellängen von fast 200 Metern.

Richtwirkung

Wie schon erwähnt, hat ein als Druckempfänger gebautes Mikrofon eine kugelförmige Richtcharakteristik oder Hörkennlinie. Es hat also nach allen Seiten die gleiche Empfindlichkeit. Allerdings ist auch bei den Kugelmikrofonen bei den höchsten Tönen eine Richtwirkung vorhanden. Bei seitlicher Beschallung werden die hohen Frequenzen schwächer wiedergegeben.

Das Nierenmikrofon

Die beim Amateur beliebteste Mikrofonart in bezug auf die Richtwirkung ist das sogenannte Nierenmikrofon, das auch als Kardioidmikrofon bezeichnet wird. Es eignet sich besonders in akustisch meist nicht sehr günstigen Wohnräumen, da es nur den von vorn in Form einer Niere einfallenden Schall aufnimmt.

Durch die rückseitige Unempfmdlichkeit werden Aufnahmen in halligen Räumen klarer, weil Raumhall und Störgeräusche (Tonbandgerät!) stark gedämpft werden. Werden Nierenmikrofone allerdings sehr nah besprochen, so bevorzugen sie die tiefen Töne. Verschiedene Tauschspulenmikrofone mit nierenförmiger Hörkennlinie haben daher einen Sprache/Musik-Schalter. Er gestattet, in Stellung „Sprache" die tiefen Frequenzen zu dämpfen.

Das Hyperkardioidmikrofon

Das Hyperkardioidmikrofon ist eine Weiterentwicklung des Kardioid- oder Nierenmikrofons. Bei ihm ist die Empfindlichkeit nach vorn noch schärfer begrenzt. Es ähnelt nicht mehr einer Niere, sondern schon mehr einer Keule.

Bei hochwertigen Studiomikrofonen gibt es noch die Achter-Hörkennlinie. Bei dieser nimmt das Mikrofon (z. B. zwei Gesprächspartner) in beiden Richtungen in Form einer 8 auf. Für den Amateur preislich unerschwingliche Studio-Kondensator- oder Tauchspulenmikrofone besitzen sogar umschaltbare Richtwirkungen, die vom Tonmeister ferngesteuert werden und jeden akustischen Effekt erlauben.

Die Rückwärtsdämpfung

Die Stärke der Richtwirkung nierenförmiger Mikrofone wird als „Rückwärtsdämpfung" oder „Auslöschung" in db (Dezibel) angegeben. Je höher diese db-Zahl bei 180°, also entgegengesetzt der Einsprache des Mikrofons ist, desto weniger Schall nimmt es von rückwärts auf. Die Richtdiagramme zeigen, daß die Rückwärtsdämpfung oder Auslöschung nicht bei allen Frequenzen gleich groß ist. Bei tiefen Frequenzen nimmt sie meist ab, das entsprechende Mikrofon nimmt dann also von rückwärts tiefe Töne stärker auf als hohe.

Für Außenaufnahmen, die auch das akustische Milieu der Umgebung wiedergeben sollen, für akustisch hergerichtete Studios oder für Gespräche am runden Tisch eignet sich am besten ein Mikrofon mit Kugelcharakteristik. In allen anderen Fällen wird ein Nierenmikrofon für den Amateur günstiger sein.

Die Grundregeln muß auch der Amateur erst lernen

Es gibt keine fertige Gebrauchsanweisung, wie man welches Mikrofon bei jener Aufnahme einsetzen muß. Gerade das macht aber die Mikrofonaufnahme für den Amateur so reizvoll. Er wird bald die Grundregeln durch eigene Versuche beherrschen. Auch der Toningenieur macht in jedem neuen Raum erst Probeaufnahmen mit verschiedenen Mikrofonaufstellungen.

Spezialmikrofone

Für Stereoaufnahmen wird natürlich auch ein Stereomikrofon benötigt. Dabei ist die Bezeichnung „ein" Mikrofon natürlich nicht ganz exakt. Es sind selbstverständlich zwei Mikrofone, für den rechten und für den linken Kanal je ein System.

Die von den Herstellern als Stereomikrofone angebotenen Typen enthalten häufig in nur einem Gehäuse zwei Mikrofonsysteme mit nierenförmiger Hörkennlinie. Andere Typen lassen sich trennen oder in der Richtung drehen, so daß man sich den akustischen Erfordernissen bei der Aufnahme anpassen kann. Natürlich kann man für Stereomikrofonaufnahmen auch zwei Monomikrofone mit Nierenkennlinie benutzen. Sie sollten dann aber vom Hersteller paarweise in bezug auf gleiche elektrische Eigenschaften ausgesucht sein.

Das Lavaliermikrofon

Ein weiteres Spezialmikrofon ist das sogenannte Lavaliermikrofon, an das besondere Anforderungen gestellt werden. Lavaliermikrofone werden um den Hals des Sprechers gehängt. Sie hängen dann, mit der Einsprache nach oben, in Brusthöhe. Der Sprecher oder Conferencier kann sich dadurch, eventuell in Verbindung mit einem kleinen Taschensender, völlig ungehindert bewegen.

Bei einer derartigen Trageweise des Mikrofons werden die vom Sprecher erzeugten hohen Frequenzen geschwächt aufgenommen, die Wiedergabe würde dumpf klingen. Der Frequenzgang eines Lavaliermikrofons ist darauf eingerichtet. Es betont die Höhen, klingt also gerade dann natürlich, wenn es vor der Brust hängend getragen und besprochen wird. Außerdem hat man bei der Konstruktion berücksichtigt, daß durch Reibung des Mikrofongehäuses oder Kabels an der Kleidung des Sprechers keine störenden Geräusche entstehen.

Den Namen „Lavaliermikrofon" für derartige Umhängemikrofone hat man übrigens von den Amerikanern übernommen. Eine Madame de la Valliere war eine Mätresse Ludwigs XIV. Ihr hatte der König einmal ein Medaillon mit Halskette verehrt. Da man aber diese Mikrofone auch um den Hals gehängt trägt, machten die praktischen Amerikaner aus la Valliere das Lavaliermikrofon.

Anpassung und Anschluß der Mikrofone

Die Anpassung des Mikrofons richtet sich nach dem Eingangswiderstand des Tonbandgerätes oder Verstärkers. Er kann bei beiden hoch- oder niederohmig sein und ist der Bedienungsanleitung zu entnehmen. Kristallmikrofone können an hochohmige Eingänge direkt angeschlossen werden. Man vermeide dabei nur aus den schon erwähnten Gründen ein allzu langes Kabel. Drei bis fünf Meter Kabellänge sollten, bei hochwertiger Abschirmung des Kabels, nicht überschritten werden.

Kondensatormikrofone

Kondensatormikrofone erfordern immer einen niederohmigen Eingang. Die Länge des ebenfalls abgeschirmten Kabels kann dann unbedenklich ein- bis zweihundert Meter betragen. Einige Tonbandgerätehersteller bieten zu ihren Geräten billige Kondensatormikrofone an. Diese entnehmen die benötigte Vorspannung dem Tonbandgerät, für das sie gedacht sind. Man kann sie also nicht an den Geräten anderer Hersteller benutzen. Sie sind außerdem hochohmig und lassen keine große Kabellänge zu.

Tauchspulenmikrofone

Bei der Anpassung der für den Amateur aus preislichen und Qualitätsgründen brauchbarsten Mikrofone, den Tauchspulenmikrofonen, sind einige Besonderheiten zu beachten. Das Tauchspulenmikrofon hat an sich einen niederohmigen Wechselstromwiderstand, die sogenannte Impedanz, von meist 200 Ohm.

Übertrager oder Transformatoren

Da die Mikrofoneingänge der meisten Tonbandgeräte bislang hochohmig waren, hätte die Spannungsabgabe eines niederohmigen Mikrofons zur Aussteuerung des Tonbandgerätes nicht ausgereicht. Man mußte die niedrige Spannung und damit den niederohmigen Widerstand hochtransformieren. Der hierzu benötigte Übertrager oder Transformator wird häufig in das Mikrofongehäuse eingebaut. Das Mikrofon wird dann als hoch- und niederohmig bezeichnet.

Die Beschaltung der DIN Stecker

Man versieht es mit einem dreipoligen Anschlußkabel und benutzt alle drei Kontakte des sogenannten Diodensteckers. Schließt man es nun an einen hochohmigen Eingang an, wird das Mikrofon über die Kontakte 1 und 2 des Diodensteckers hochohmig angepaßt. Ist der Eingang des Tonbandgerätes niederohmig, werden die Kontakte 2 und 3 zum niederohmigen Anschluß des Mikrofons benutzt. Bei hochohmigem Anschluß darf allerdings nur eine
maximale Kabellänge von zwei Metern benutzt werden, weil sich sonst ein starker Abfall der hohen Töne bemerkbar macht.

Hilfen durch Kabelübertrager

Trotzdem läßt sich auch ein hoch- bzw. niederohmiges Mikrofon an einem bis zu zweihundert Meter langen abgeschirmten Kabel benutzen. Das Kabel wird über den niederohmigen Ausgang des Mikrofons an die Steckerkontakte 2 und 3 angeschlossen. Man beschafft sich dann beim Fachhändler einen sogenannten Kabel- oder Schnurübertrager, der ausgangsseitig bereits mit einem kurzen Kabel mit Stecker versehen ist. Dieser Stecker mit der hochohmigen Polung 1 und 2 wird in den hochohmigen Mikrofoneingang des Tonbandgerätes eingeführt. Eingangsseitig wird das verlängerte Mikrofonkabel an den Kabelübertrager angeschlossen. Der im Mikrofon eingebaute Übertrager wird dabei also nicht benötigt, der Kabelübertrager hat seine Funktion übernommen.

Die in das Mikrofon eingebauten Übertrager sind wie Kabelübertrager naturgemäß sehr klein. Darunter leidet aber die Übertragungsqualität; sie fällt bei den tiefen Tönen ab. Man kompensiert diesen Abfall etwas, indem man das Übersetzungsverhältnis des Übertragers klein wählt. Sie haben ein Übersetzungsverhältnis von etwa 1:15. Das bedeutet aber auch, daß die vom niederohmigen Mikrofon abgegebene Spannung nur auf das fünfzehnfache hochtransformiert wird. Bei räumlich größeren Übertragern ist ohne Qualitätsverlust ein Übersetzungsverhältnis bis 1 : 30 möglich.

Mikrofone an jedem Tonbandgerät anzuschließen

Tonbandgeräte mit niederohmigem Mikrofoneingang sind in der Eingangsstufe meist mit Transistoren bestückt, seltener haben sie einen Übertrager eingebaut. Bei ihnen ist die Polung der Eingangsbuchse, sofern es sich um Heimtonbandgeräte handelt, 2 und 3. Es gibt allerdings leider auch Ausnahmen mit der Polung 1 und 2, obwohl sie einen niederohmigen Eingang haben. Hochwertige und nur niederohmige Mikrofone sind nach der Studionorm 1 und 3 gepolt, diese Norm trifft man demgemäß auch bei den Mikrofoneingangsbuchsen der Studiotonbandgeräte an.

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß sich jedes dynamische Mikrofon an jedes Tonbandgerät anschließen läßt. Es muß nur darauf geachtet werden, daß der Ohmwert zusammenpaßt, was sich notfalls durch Kabelübertrager erreichen läßt. Zusätzlich muß die Polung des Mikrofonsteckers und der Mikrofoneingangsbuchse am Tonbandgerät (gegebenenfalls auch des dazwischengeschal-teten Kabelübertragers) beachtet werden.

Das gleiche Problem ergibt sich übrigens auch beim Anschluß von Stereomikrofonen. Die Tonbandgeräte und Verstärker haben teils nur eine gemeinsame Mikrofoneingangsbuchse für den rechten und linken Kanal, teils aber auch zwei getrennte Buchsen. Bei den Steckern der getrennten oder des in einem Gehäuse untergebrachten Stereomikrofon-Pärchens sieht es ähnlich aus, Hier wird sich also häufig die Anfertigung einer auf den speziellen Fall hergestellten Anschlußschnur durch den Fachmann nicht umgehen lassen.

Mikrofon-Zubehör

Das Zubehör der Mikrofonhersteller ist außerordentlich reichhaltig. Soweit es sich um Stative, Kabelübertrager, Kabel und Schwanenhälse handelt, ist es fast immer auch kompatibel.

Mikrofone bis zur mittleren Preisklasse sind in den meisten Fällen bereits mit einem Tischständer versehen. Die Mikrofone der oberen Preisklasse werden zum Teil mit abnehmbaren Tischstativen geliefert. Bodenstative gibt es in allen Preislagen, vom zusammenlegbaren, leichttransportablen Stativ bis zum trittschallgedämpften, ausziehbaren Schwingstativ. Sehr praktisch sind die von der Studiotechnik bekannten Mikrofonausleger, die auf dem Stativ befestigt werden. Sie gestatten, das Mikrofon auch an schlecht erreichbare Stellen günstig zur Schallquelle zu plazieren.

Zum Mikrofon-Zubehör gehören außer den Kabelübertragern auch Einbauübertrager, fertig mit Stecker und Buchse ausgerüstete abgeschirmte Verlängerungskabel, zum Teil sogar auf Kabelhaspel, Gewindereduzierstücke zur Benutzung von Stativen mit verschiedenen Zoll-Gewinden, Schwanenhälse mit und ohne Kabelanschluß und elastische Mikrofon-Aufhängungen.
Ein besonders bei Außenaufnahmen wichtiges Zubehörteil ist der Windschutz. Er wird auf die Einsprache des Mikrofons gesteckt und ermöglicht auch bei Wind und Regen störungsfreie Aufnahmen.

"tonband" - Heft 1 • Januar 1967 • 4. Jahrgang
WIE FUNKTIONIEREN UNSERE MIKROFONE ? (1)

In einer Artikelreihe mit acht Folgen wurde versucht, Sie mit der Wirkungsweise und dem Zusammenwirken des feinmechanischen und elektronischen Teils bei Heimmagnettongeräten bekannt zu machen. Ein wesentliches Zubehörteil für Magnettongeräte ist das Mikrofon.

Ein gewisser Prozentsatz von Ihnen mag voller Freude ein Mikrofon gekauft oder als Geschenk erhalten haben. Nachdem Sie dieses am Mikrofoneingang Ihres Tonbandgerätes angeschlossen hatten, um die erste Aufnahme zu machen, waren häufig die Enttäuschung oder sogar der Ärger groß.

Dies besonders, wenn die Aussteuerungsanzeige selbst bei großer Sprachlautstärke und geringem Besprechungsabstand vom Mikrofon unbewegt bliebt. Enttäuschung bereitet es auch, wenn sich trotz großer Sprachlautstärke und geringem Abstand zwischen Schallquelle und Mikrofon, die Bandaussteuerungskontrolle - selbst bei voll geöffnetem Aufnahmeregler - nicht auf Vollaussteuerung bringen läßt.

Das gleiche gilt für den Fall, daß eine Aufnahme flach und spitz klingt, weil ihr die Tiefen fehlen. Häufig wird dann auf das Mikrofon bzw. seine scheinbar geringe Qualität geschimpft.

Wenn es gar nicht am Mikrofon liegt . . . .

In der überwiegenden Mehrzahl all dieser Fälle liegt jedoch der Fehler nicht beim Mikrofon, sondern bei Ihnen, lieber Tonbandfreund.

  • Anmerkung : In den Jahren nach 1990 gab es immer wieder den bissigen oder auch ehrlichen Hinweis, daß "das Problem" des Windows PCs vor der Tastatur sitzen würde. Wie sich die Erfahrungen aus 1966 gleichen.


Auch beim Anschluß eines Mikrofones an ein Magnettongerät bzw. einen Verstärker müssen gewisse Spielregeln und Gesetzmäßigkeiten beachtet werden.

Es steht sehr oft bereits in den Prospekten

Beim Studium von Prospekten wird es Ihnen bereits aufgefallen sein, daß dort von Kristallmikrofonen, dynamischen Mikrofonen, Bändchen- und Kondensatormikrofonen gesprochen wird. Neben der Angabe über den Frequenzgang erscheinen Ausdrücke wie Druck- und Gradientenempfänger bzw. Kardioidmikrofone, Empfindlichkeit bzw. Feld-Leerlauf-Übertragungsfaktor, Impedanz usw.

Viele von Ihnen werden durch diese Aussagen verwirrt. Weil Sie diese nicht zu deuten vermögen, beachten Sie diese kaum. Als Ergebnis hiervon können beim Betrieb mit dem Mikrofon, wie bereits erwähnt, der Ärger oder die Enttäuschung da sein. Dabei ist es gar nicht so schwierig, die technischen Daten von Mikrofonen zu lesen bzw. zu verstehen.

Wie die Überschrift dieser neuen Artikelreihe bereits besagt, soll es deren Aufgabe sein, Sie mit der Wirkungsweise der verschiedenen Mikrofonarten ebenso bekannt zu machen wie mit der einfachen Auswertung technischer Daten.

Fehlermöglichkeiten beim Anschluß eines Mikrofones

Am ärgerlichsten ist es wohl, wenn man das Mikrofon an den entsprechenden Eingang einer Verstärkeranlage oder eines Magnettongerätes angeschlossen hat, das Gerät jedoch stumm bleibt. So ärgerlich diese Panne auch sein mag, in Wirklichkeit ist sie am einfachsten zu beheben.

Hier stimmt die Belegung der am Mikrofonstecker befindlichen Kontaktstifte nicht mit der Belegung der Mikrofoneingangsbuchse am Verstärker überein. Erst mit der Verabschiedung einer Norm (DIN 45 594) wurde vor nicht allzu langer Zeit die Belegung der Mikrofonstecker und der Mikrofoneingangsbuchsen an Tonbandgeräten und Verstärkern verbindlich festgelegt.

Neu : Anschlüsse nach DIN 45594

Da bis zu diesem Zeitpunkt die Kontaktbelegung, besonders am Verstärkereingang, unterschiedlich erfolgte, ist mit der DIN 45594 ein Kompromiß erarbeitet worden, der wie alle derartige Lösungen zwangsläufig nicht ideal sein kann.

Diese Norm bestimmt, daß bei den Mikrofoneingangsbuchsen von monauralen Tonbandgeräten und Verstärkern für hoch- und mittelohmige Mikrofone die Kontakte 1 und 2 zu belegen sind (Bild 1a), bei stereofonem Betrieb liegt das hoch- oder
mittelohmige Mikrofon des linken Kanales ebenfalls an den Kontakten 1 und 2, das des rechten Kanales an den Kontakten 4 und 2 (Bild 1 b).

Niederohmige Mikrofone liegen - bei unsymmetrischem Verstärkereingang - an den Kontakten 3 und 2. Bei Stereobetrieb mit niederohmigen Mikrofonen liegt der linke Kanal an den Kontakten 3 und 2, der rechte Kanal an 5 und 2.

Bei Verstärkern mit symmetrischem, d. h. Übertragereingang liegt das Mikrofon bei Stereobetrieb das des linken Kanales an den Kontakten 1 und 3, das des rechten Kanales an 4 und 5. An Kontakt 2 liegt das O Volt Potential für die Abschirmung des bzw. der Mikrofone.

Symmetrische Mikrofoneingänge sind aber selten

Da nur sehr wenige der für den Heimgebrauch bestimmten Tonbandgeräte und Verstärker einen symmetrischen Mikrofoneingang besitzen, konnte auf die zeichnerische Darstellung dieser Kontaktbelegung an den Eingangsbuchsen des Verstärkers verzichtet werden.

Es gab eine verwirrende Vielfalt an Belegungen

Es würde den Rahmen dieser Artikelreihe sprengen, alle vor Einführung der Norm DIN 45 594 benutzten Schaltungsarten bei den Mikrofoneingängen von Heimtonbandgeräten und Verstärkern aufzuzeigen, zumal die Firma Sennheiser electronic vor kurzem die Zweitauflage ihrer geschickt aufgemachten und gesetzlich geschützten Mikrofon-Anschlußfibel herausbrachte. (Diese wird gegen Voreinsendung einer Schutzgebühr von DM 0.60 Interessenten auf Wunsch zugestellt.)

Aufschlußreich ist der Blick ins Schaltbild

Außerdem hat sich erfreulicherweise seit langem die Gepflogenheit eingebürgert, daß die Hersteller von Magnettongeräten und Verstärkern der Betriebsanleitung auch das Schaltbild des Gerätes beifügen. Aus diesem ist auch die Belegung der Eingangsbuchsen zu entnehmen.

Deckt sich diese bei älteren Geräten nicht mit der in den Bildern 1a und 1b gezeigten bzw. der genannten Normbelegung, so können Sie, falls Sie einen kleinen Lötkolben und die erforderliche Erfahrung im Herstellen sauberer Lötstellen besitzen, die Kontaktbelegung an Ihrem Gerät auf die neue Norm umstellen.

Hierbei sollten Sie aber unter gar keinen Umständen vergessen, den Netzstecker des Tonbandgerätes oder Verstärkers vor Arbeitsbeginn aus der Steckdose zu ziehen.

Ein kleiner Lötkolben und etwas Fingerfertigkeit

Unter kleinem Lötkolben ist jedoch keiner mit einer Leistungsaufnahme von 100 Watt oder gar mehr, sondern ein solcher mit maximal 30 Watt gemeint. Wird dieser Hinweis nicht beachtet, so richtet man bei den sehr nahe zusammenliegenden Anschlußstellen mit Sicherheit nur Schaden an. Das gleiche gilt auch, wenn man noch nicht genügend Erfahrung und Fingerfertigkeit beim Löten hat.

Die Tonbandfreunde, für die dieser Hinweis zutrifft, brauchen jedoch die bekannte Flinte nicht ins Korn zu werfen. Die Rundfunkfachhändler führen auf Wunsch die vorgenannte Umbelegung der Anschlußbuchse des Mikrofoneinganges am Gerät durch.

Eine Umrüstung von symmetrisch auf unsymmetrisch

Aber auch bei Tonbandgeräten und Verstärkern mit normgerechter Beschattung der Mikrofon-Anschlußbuchse ist man vor falschen Verbindungen noch nicht völlig sicher. Bei niederohmigen Mikrofonen, die zunächst für den unmittelbaren Anschluß an Verstärker mit symmetrischem Eingang vorgesehen sind, führen deren Steckerstifte 1 und 3 die Signalspannung, der Stift 2 ist mit der Abschirmung verbunden (Bild 2a). Will man ein derartiges Mikrofon an einen unsymmetrischen, niederpegeligen Mikrofonverstärker anschließen, so benötigt man eine abgeschirmte Mikrofon-Anschlußleitung, deren Signaladern auf der Mikrofonseite an den Kontaktbuchsen 1 und 3, auf der Verstärkerseite jedoch an den Kontaktstiften 3 und 2 liegen.

Soll ein derartiges Mikrofon aber an den Eingang eines hochpeligen Mikrofonverstärkers angeschlossen werden, der an die Kontakte 1 und 2 der Eingangsbuchse angeschaltet ist, so benötigt man eine Anschlußleitung, die zusätzlich einen Übertrager enthält, der die Mikrofonspannung hochtransformiert.

Bild 2b zeigt das Schaltbild eines Mikrofones, das sowohl an einen niederpegeligen als auch hochpegeligen Mikrofon-Verstärkereingang angeschlossen werden kann. Eine Erweiterung des in Bild 2b gezeichneten Mikrofontyps ist das auf drei verschiedene Quellwiderstände (nieder-, mittel- und hochohmig) und damit auch Pegel umschaltbare Mikrofon (Sennheiser MD 411; Bild 2c).

Stereomikrofone mit nur einer Buchse bzw. einem Stecker

Bei Stereomikrofonen sind die Anschlüsse ebenso belegt wie bei den entsprechenden monauralen Mikrofonen (Vergleich zwischen Bild 2d und Bild 2b). Die Weiterleitung der Modulation beider Kanäle erfolgt über ein Stereo-Anschlußkabel, das auf der Verstärkerseite einen fünfpoligen Miniaturstecker aufweist.

Bei hoch- und mittelohmigen Mikrofonen liegt die „heiße" Leitung des linken Kanales am Steckerstift 1, die des rechten Kanales am Stift 4, die gemeinsame Rückleitung am Stift 2 (siehe Bild 1b). Bei niederohmigen Mikrofonen und unsymmetrischem Verstärkereingang liegt der linke Kanal am Stift 3, der rechte an 5, die gemeinsame Rückleitung wieder an Stift 2. Bei der Auswahl der richtigen Anschlußleitung für die in den Bildern 2a bis d gezeigten Mikrofontypen hilft ebenfalls die bereits erwähnte Mikrofon-Anschlußfibel. Auch der Fachhändler wird gerne helfen, die richtige Mikrofon-Anschlußleitung zu finden. Voraussetzung hierzu ist allerdings, daß ihm der benutzte Mikrofontyp und die Modellbezeichnung des verwendeten Tonbandgerätes bzw. Verstärkers genannt werden.

Etwas Physik ist notwendig :
Die Umwandlung von Schall- in elektrische Schwingungen

Ein Ton oder Klang erzeugt ebenso eine Luftdruckänderung wie jedes Geräusch oder jeder Knall. Je größer deren Lautstärke ist, um so größer ist auch die dadurch entstehende Druckänderung. Diese werden von der Mikrofonmembran aufgenommen und im Mikrofon in elektrische Schwingungen umgewandelt. Wie erfolgt nun diese Energieumwandlung bei den verschiedenen Mikrofonsystemen?

Das dynamische Mikrofon

Da sich das dynamische Mikrofon nicht nur bei kommerziellen Studios, sondern auch bei sehr vielen Amateuren immer größerer Beliebtheit erfreut, sei zunächst die Arbeitsweise dieses Mikrofontypes betrachtet.

Das dynamische Mikrofon stellt im Prinzip eine Funktionsumkehrung des dynamischen Lautsprechers dar. Wir wissen, daß sich beim dynamischen Lautsprecher in dem von einem starken Magneten umgebenen kreisförmigen Luftspalt eine Schwingspule befindet. Diese ist mit der an den Korbrändern beweglich befestigten Membran starr verbunden.

Fließt ein Wechselstrom durch die Schwingspule, so entsteht in dem von magnetischen Kraftlinien durchsetzten Luftspalt eine Feldänderung. Hierdurch wird die Schwingspule abgelenkt und schwingt im Rhythmus und proportional mit dem die Schwingspule durchfließenden Wechsel- bzw. Signalstrom.

Da die Lautsprechermembran diese Schwingungen mitmachen muß, entstehen in der sie umgebenden Luft proportionale Luftschwingungen, also Druckänderungen. Der Lautsprecher wandelt also elektrische Energie in Schallenergie um.

Es wurde bereits zu Beginn dieses Absatzes gesagt, daß das dynamische Mikrofon eine Funktionsumkehr des dynamischen Lautsprechers darstelle. Daher muß der grundsätzliche Aufbau eines solchen Mikrofones dem des Lautsprechers ähneln.

Der prinzipielle Aufbau eines dynamischen Mikrofones

Bild 3 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines dynamischen Mikrofones. Hier wird die ebenfalls beweglich aufgehängte Membran durch die Schalldruckänderungen zu proportionalen Schwingungen angeregt. Da die mit der Membran verbundene Spule in dem von einem ringförmigen starken Magneten umgebenen Luftspalt diese Schwingungen mitmachen muß, schneiden hierbei deren Windungen die Kraftlinien des Magneten.

Hierdurch wird in der Schwingspule eine den Membranschwingungen in der Amplitude und Frequenz proportionale Spannung induziert. Es erfolgt also eine Umwandlung von Luftschwingungen in elektrische Schwingungen. Diese werden dem Eingang des Mikrofonverstärkers zugeführt.

Wie ein derartiges Mikrofonsystem aussehen kann, zeigt Bild 4. Den Aufbau eines anderen dynamischen Mikrofones, nämlich den des MD 411 von Sennheiser electronic, zeigt dessen Längsschnitt in Bild 5. Welche Aufgabe die ohrähnlichen Kammern unter der Membran des MD 411 haben, welche Signalspannungen von dynamischen Mikrofonen erwartet werden können, welche Anpassungsbedingungen diesen zu bieten sind usw., werden wir in der nächsten Folge erfahren.
(wird fortgesetzt) Di.

"tonband" - Heft 2 • März 1967 • 4. Jahrgang
WIE FUNKTIONIEREN UNSERE MIKROFONE ? (Teil 2)

Zu Beginn der neuen Artikelreihe lernten wir zunächst die wichtigsten Kontaktbelegungen von Mikrofonen und Verstärker-Eingangsbuchsen hierfür, entsprechend der DIN Norm 45594, sowie den grundsätzlichen Vorgang bei der Umwandlung von Schall- in elektrische Schwingungen bei dynamischen Mikrofonen kennen.

Das Zustandekommen der Richtcharakteristik bei Mikrofonen
a) Die kugelförmige Richtcharakteristik

Bild 1 zeigt nochmals aus der ersten Folge die Schnittzeichnung eines dynamischen Mikrofons. Diese läßt u. a. erkennen, daß der die Membran tragende Mikrofonkörper allseits geschlossen ist. Bringt man ein derartiges Mikrofon in ein Schallfeld, so wirken der Schalldruck oder genauer gesagt die Änderungen des Schalldruckes auf die Vorderseite der Membran und erregen diese zu proportionalen Schwingunen.

Aus diesem Grund wird der in Bild 1 bzw. Bild 4 der ersten Folge (tonband, Heft 1/67) dargestellte Mikrofontyp auch als Druckempfänger bezeichnet.

Bei oberflächlicher Betrachtung könnte man annehmen, daß derart aufgebaute Mikrofone richtungsempfindlich sind, d. h. in Abhängigkeit vom Beschallungswinkel eine unterschiedliche Empfindlichkeit aufweisen. Dem ist jedoch nicht so.

Solange die Abmessungen eines solchen Mikrofonsystems klein gegenüber der jeweiligen Schallwellenlänge sind, beeinflussen sie nicht das Schallfeld bzw. die daraus resultierenden Druckänderungen.

Derartige Druckempfänger sind in ihrer Empfindlichkeit daher nicht richtungsabhängig, d. h. sie haben eine kugelförmige Richtcharakteristik.

Die Richtcharakteristik ist frequenzabhängig

Erst wenn die Wellenlänge eines Tones etwa dem des Systems bzw. der Membran entspricht oder kleiner ist, entsteht eine gewisse Richtwirkung. Bei Beschallung von vorn entsteht vor der Membran ein Druckstau und damit ein ansteigender Verlauf der abgegebenen Signalspannung.

Trifft ein hoher Ton hingegen zuerst auf die Mikrofonrückseite, so liegt dessen Membran im Druckschatten. Hierdurch entsteht zwangsläufig auch eine Dämpfung der abgegebenen Signalspannung.

Die Wellenlänge eines einzelnen Tones

Wie errechnet sich die Wellenlänge eines Tones? Da dessen Fortpflanzungsgeschwindigkeit in der Luft ca. 330 m/s beträgt, ist dessen Wellenlänge λ = 330 / Frequenz.

Hierbei ist λ die Wellenlänge in Metern und f die Tonhöhe, also die Frequenz in Hz.

Das in tonband, Heft 1/1967, auf der Titelseite abgebildete Mikrofon mit kugelförmiger Charakteristik hat einen Membrandurchmesser von ca. 20mm. Um festzustellen, ab welcher Frequenz eine Richtwirkung bei diesem Mikrofon zu erwarten ist, lösen wir die Gleichung (1) nach „f" auf.

f = 330 / λ und das ist 330 / 0,02m und inZhalen sind das 16500Hz.

Dies bedeutet, daß erst ab rund 16 kHz eine richtungsbedingte Abhängigkeit des Frequenzganges für ein Kugelmikrofon mit einem Membrandurchmesser von 20
Millimeter zu erwarten ist.
.

Die Größe der Membrane ist ein Kompromiss

Man darf den Druckmesser der Membran eines Druckempfängers (also den Durchmesser) und das von ihr eingeschlossene Volumen auch nicht zu klein wählen, weil sonst deren Ansprechempfindlichkeit für tiefe Frequenzen zu gering wird.

Beim Entwurf derartiger Mikrofone muß man also, im Interesse eines einwandfreien Frequenzganges einerseits und einer auch im Höhenbereich weitgehend unbeeinflußten Kugelcharakteristik, in bezug auf den Membrandurchmesser bzw. die Mikrofonabmessungen einen Kompromiß schließen.

Den grundsätzlichen Empfindlichkeitsverlauf eines hochwertigen Druckempfängers in Abhängigkeit vom Schalleinfallswinkel zeigt Bild 2.

Weitere Bedingungen : die Resonanz

Damit allein ist es jedoch noch nicht getan. Als schwingende Masse hat das Gebilde Membran plus Schwingspule eine deutliche Eigenresonanz. Diese liegt im empfindlichen Bereich der Oberkurve. Um die infolge der Resonanz entstehenden Spannungsspitzen zu unterdrücken und einen einwandfreien Über-alles-Frequenzverlauf sicherzustellen, müssen im Mikrofongehäuse auf die Resonanzfrequenz abgestimmte Dämpfungsanordnungen vorgesehen werden.

b) Die Achter-Richtcharakteristik

Wie in Abschnitt a) bereits erläutert, sind Mikrofone mit etwa gleichmäßiger Rundumempfindlichkeit dadurch gekennzeichnet, daß der Schalldruck nur auf der Membranvorderseite wirksam werden kann. Die von einem solchen Mikrofon abgegebene Spannung wird um so höher sein, je größer der auf die Membran wirkende Druck, oder genauer gesagt, je größer die Druckänderung ist.

Stellen wir uns zunächst vor, der Großteil des in Bild 1 sichtbaren Mikrofonkörpers wäre derart abgefräst worden, daß ein Schnitt entsprechend Bild 3 entsteht. Trifft nunmehr eine Schallwelle senkrecht auf die Vorderseite der Membran, so wird diese zunächst ebenfalls nach hinten schwingen.

Der Schalldruckunterschied oder das Druckgefälle

Eine von der Schallwellenlänge abhängige kleine Zeitspanne später hat die gleiche Schallwelle aber auch die Rückseite der Membran erreicht und übt dort einen Gegendruck aus. Damit sind die Auslenkungstiefe der Membran und die von einem derart aufgebauten Mikrofon abgegebene Signalspannung nicht mehr von der Größe des Schalldruckes bzw. der Schalldruckänderung, sondern vom Schalldruckunterschied zwischen der Vorder-und Rückseite der Membran abhängig.

Es herrscht somit zwischen beiden Membranseiten ein Druckgefälle. Da man ein Druckgefälle oder eine Druckdifferenz mit Richtungsangabe mit Druckgradient bezeichnet, nennt man Mikrofone, bei denen die Membranbewegung ganz oder zum Teil auf dieser Druckdifferenz beruht, auch Druckgradienten-Empfänger.

Eine Richtcharakteristik in etwa wie die Zahl „acht"

Bei einem Mikrofon, dessen grundsätzlicher Aufbau dem in Bild 3 gezeigten entspricht, entsteht unabhängig davon, ob die Schallwellen senkrecht auf die Membranvorder- oder -Rückseite auftreffen, die gleiche Druckdifferenz und damit auch die gleiche Signalspannung. Verlaufen indessen ankommende Schallwellen parallel zur Membranoberfläche, streifen sie also nur, so entsteht im Idealfall kein Druckunterschied und damit keine Signalspannung.

Die bei den verschiedenen Schalleinfallswinkeln auf ein derartiges Mikrofon sich einstellenden Druckunterschiede auf beiden Membranseiten ergeben eine Signalspannungsabgabe und damit eine Richtcharakteristik, deren Verlauf etwa wie die Zahl „acht" aussieht (Bild 4).

Der Bau von dynamischen Mikrofonen mit Achter-Richtcharakteristik ist bis heute noch nicht möglich, weil ein großer Teil des Raumes auf der Membranrückseite für das Magnetsystem benötigt wird.

c) Nieren- und nierenähnliche Richtcharakteristiken

Wie wird sich bei einem Mikrofon mit allseitig gleichmäßiger Empfindlichkeit die Richtcharakteristik ändern, wenn man den Schalldruck durch Einfräsen von Schlitzen oder ähnlichem zusätzlich auf die Membranrückseite wirken läßt (Bild 5)?

Bei der Beschallung eines derartigen Systems entsteht ebenfalls - wie bei dem in Absatz b) beschriebenen Mikrofontyp - ein Druckunterschied zwischen der Membranvorder- und -Rückseite. Es arbeitet also auch als Druckgradienten-Empfänger.

Da bei dem in Bild 5 dargestellten Modell die wirksame Druckangriffsfläche auf der Membranvorderseite wesentlich größer ist als auf ihrer Rückseite, entsteht gegenüber einem Mikrofon mit Achtercharakteristik eine andere Verteilung der Druckunterschiede und damit der Richtcharakteristik.

Trifft eine Schall- und damit eine Druckwelle genau von vorn, d. h. unter einem Winkel von 0° auf die Mikrofonvorderseite, so entsteht - besonders bei mittleren und hohen Frequenzen - zwischen den beiden Membranseiten ein hohe Druckdifferenz. Die hieraus resultierende kräftige Membranbewegung ergibt eine hohe Signalspannung.

Bewegt man, bei unveränderter Mikrofonaufstellung, die Schallquelle in einem Kreisbogen bis zu ca. ± 30°, so ändert sich die auf beiden Seiten der Membran wirksame Druckdifferenz nur unmerklich. Dadurch bleibt auch die abgegebene Signalspannung in diesem Sektor praktisch konstant.

Vergrößert sich der Beschallungswinkel, so sinkt - je nach Auslegung der rückwärtigen Lufteinlaßöffnungen - die Druckdifferenz zwischen beiden Membranseiten mehr oder minder stark. Entsprechend nimmt auch die Signalspannung ab.

Bei einem Schalleinfallwinkel von mehr als 90° gegenüber der Membranvorderseite nimmt, infolge der unterschiedlich großen Druckangriffsflächen auf beiden Membranflächen und ihrer zusätzlich in den Druck schatten gelangenden Vorderseite, der noch wirksame Druckunterschied und damit auch die abgegebene Signalspannung rapid ab, um bei einem Sektor zwischen etwa 150° bis 210° ein Minimum zu erreichen.

Die Richtcharakteristik eines derartigen Mikrofons gleicht etwa der Form einer Niere (Bild 6). Der von solchen Mikrofonsystemen zu erreichende Bündelungsgrad kann mehr oder minder groß sein und ist u. a. von der Auslegung der rückwärtigen oder seitlichen Schalleinlaßöffnungen abhängig. Bei Mikrofonen mit sehr starker Bündelung spricht man von „Supernieren- oder Superkardioid- Charakteristik."

Der Frequenzgang soll ausgeglichenen sein und noch mehr

Von Druckgradienten-Mikrofonen erwartet man innerhalb des Hörbereichs einen ebenso ausgeglichenen Frequenzgang wie von reinen Druckempfängern. Diese Forderung gilt nicht nur bei Schalleinfall auf die Membranvorderseite, sondern praktisch bei jedem Beschallungswinkel.

Um einige Besonderheiten, die beim Betrieb mit Nierenmikrofonen beachtet werden sollten, besser zu verstehen, wollen wir einige einfache theoretische Überlegungen anstellen. Um hierbei möglichst einfache Bedingungen zu schaffen, betrachten wir nur die Vorgänge bei senkrechtem Schalleinfall bei zwei verschiedenen Frequenzen.

Betrachten wir zwei unterschiedliche Wellenlängen

Gemäß Gleichung (1) hat ein Ton von z. B. 200Hz eine Wellenlänge von 1,5m, ein Ton von 2000 Hz von 15cm. Um von der Membranvorderseite auf deren Rückseite zu gelangen, braucht die Schallwelle eine gewisse Zeitspanne, die u. a. von der Weglänge bis zu den seitlichen oder rückwärtigen Schalleinlaßöffnungen abhängig ist.

Hat z. B. das positive Maximum einer 15cm langen 2kHz Schallwelle gerade die Membranvorderseite erreicht, so befindet sich an ihrer Rückseite fast der Null-Durchgang. Es besteht also zwischen beiden Membranseiten eine deutliche Druckdifferenz.

Anders liegen die Verhältnisse bei einer 200Hz-Schwingung. Infolge ihrer großen Wellenlänge von 1,5m besteht bei ihr, wegen der zu dieser Wellenlänge sehr geringen Entfernung zwischen Membranvorder- und -Rückseite, zwischen diesen beiden Flächen nur ein sehr kleiner Amplituden- und damit Druckunterschied.

Aus der vorgenannten Überlegung ergibt sich, daß Richtmikrofone ohne Sondermaßnahmen, besonders im Bereich der Tiefen, keine von der Frequenz etwa unabhängige Signalspannung abgeben können. Dort muß wegen der geringen an der Membran wirksamen Druckdifferenz ein Ausgleich geschaffen werden.

Dies kann man dadurch erreichen, daß man die Membran von Druckgradienten-Empfängern sehr weich aufhängt und außerdem die Membran so gestaltet, daß sie im Bereich der Tiefen liegt. Damit fällt ihre Tiefen-Ansprechempfindlichkeit erst unterhalb der Resonanzfrequenz, dann aber ziemlich steil, ab.

Im Bereich der mittleren und hohen Frequenzen macht sich die weiche Aufhängung der Membran nicht zusätzlich bemerkbar, weil dort das Gebilde von Membran plus Schwingspule als Masse wirkt. Im Inneren von Richtmikrofonen muß außerdem durch entsprechend gestaltete Hohlräume (siehe tonband 1/67, Seite 8, Bild 5) und akustische Widerstände dafür gesorgt werden, daß der bei senkrechtem Schalleinfall derart linearisierte Frequenzverlauf auch etwa bei allen übrigen Schalleinfallwinkeln erreicht wird.

Wie kompliziert der Innenaufbau eines dynamischen Mikrofons mit Nieren-Charakteristik und Studioqualität sein kann, zeigt Bild 7.

d) Hinweise für die Benutzung von Mikrofonen mit Kugel- und Nierencharakteristik

Den Mikrofonbenutzer wird es zunächst interessieren, ob er bereits aufgrund von Besonderheiten im Aussehen ein Mikrofon mit Kugelcharakteristik von einem mit Nierencharakteristik unterscheiden kann, oder ob man hierfür die jeweilige Typenbezeichnungen der Hersteller kennen muß.

Beide Mikrofonarten unterscheiden sich in ihrem Äußeren. Da Mikrofone mit Kugelcharakteristik nur auf Druckänderungen an der Membranvorderseite ansprechen, besitzen sie nur an ihrer Vorderfront eine entsprechende Schalleinlaßöffnung (siehe Bild 8, linkes Mikrofon).

Bei Richtmikrofonen muß der Schalldruck nicht nur zur Membranvorderseite, sondern auch über seitlich oder an der Systemrückseite befindliche Öffnungen zu deren Rückseite gelangen. Deshalb dienen bei derartigen Mikrofonen nicht nur die gesamte Vorderfront, sondern auch ein Teil der Seitenwände als Schalleinlaßöffnung (siehe Bild 8, rechtes Mikrofon).

Weitere Besonderheiten

In Abschnitt c) wurde bereits angedeutet, daß sich der Funktionsunterschied zwischen Druck- und Druckgradientenempfängern, also von Mikrofonen mit Kugel- oder Nierencharakteristik, auch beim praktischen Betrieb in mehrfacher Weise auswirkt. Damit ist hier jedoch nicht gemeint, daß man z. B. mit Hilfe von Nierenmikrofonen Störschall ausblenden bzw. unterdrücken kann.

Ebenso wichtig ist es, über folgende Eigenschaften von Druck- und Druckgradienten-Empfängern, die weniger bekannt sind, Bescheid zu wissen.

Kugelcharakteristik und Nierenmikrofone

1. Die Ansprechempfindlichkeit der Membran von Druckempfängern, d. h. Mikrofonen mit Kugelcharakteristik, ist, je nach ihrer Qualität, innerhalb des Hörbereiches weitgehend konstant. Dadurch entsteht ein vom Schalldruck unabhängiger Frequenzverlauf.

Dies bedeutet gleichzeitig, daß sich auch bei kleiner werdendem Besprechungsabstand nur der auf die Membranvorderseite wirkende Schalldruck und damit die abgegebene Signalspannung, nicht aber der Sollfrequenzverlauf ändert.

2. Wegen der in Abschnitt c) erläuterten Gegebenheiten ist die Membran- Ansprechempfindlichkeit von Druckgradienten-Empfängern, also Nierenmikrofonen, im Bereich der Tiefen höher als bei mittleren oder hohen Frequenzen. Bespricht man ein solches Mikrofon nur aus einer Entfernung von 20 bis 30 cm, so überwiegt im gesamten Frequenzbereich die Druckwirkung auf die Membran Vorderseite. Dadurch erhöht sich im Bereich der Tiefen der Druckunterschied zwischen ihrer Vorder- und Rückseite. In Verbindung mit der vergrößerten Membran-Ansprechempfindlichkeit entsteht hierdurch eine Überbetonung der Tiefen.

Aus mancherlei Gründen läßt sich auch bei Benutzung von Mikrofonen mit Nierencharakteristik eine Nahbesprechung nicht vermeiden. Um dennoch die hierdurch entstehende störende Überbetonung am unteren Ende des Übertragungsbereiches zu vermeiden oder mindestens zu dämpfen, besitzen einige Mikrofontypen mit Nierencharakteristik eine auch „Sprache-Musikschalter" genannte Tiefenbedämpfung.

3. Bei Mikrofonen mit Nierencharakteristik ergeben sich durch die weiche Membranaufhängung und erhöhte Tiefenempfindlichkeit noch weitere Auswirkungen. Relativ geringe Erschütterungen, wie sie sich z. B. beim Halten des Mikrofonkörpers oder auch durch Tritt- oder Körperschall ergeben können, verursachen langsame Membranschwingungen und damit tieffrequente Störspannungen. Ähnliches gilt für die Entstehung von Störungen, die durch Wind verursacht werden.

Die am Mikrofon entstehenden Luftwirbel verursachen Druckunterschiede, auf die besonders die Membran von Druckgradienten-Empfängern aus den bereits genannten Gründen leicht anspricht und hierdurch Störspannungen tiefer Frequenz abgibt. Mit Hilfe des vorerwähnten „Sprache-Musikschalters" können die vorgenannten Störungen wohl gedämpft, jedoch nicht völlig unterdrückt werden.

Die Membran von Mikrofonen mit Kugelcharakteristik weist im Gegensatz zu Druckgradienten-Empfängern nicht nur eine für den gesamten Übertragungsbereich etwa konstante Ansprechempfindlichkeit auf, sondern ist auch härter eingespannt. Wenn dieser Mikrofontyp auch nicht völlig unempfindlich gegen Körperschall- und Windstörungen ist, so spricht er dennoch bei weitem nicht so leicht hierauf an.

Jede Type hat Vor- und Nachteile

Die Ausführungen in Absatz d) lassen erkennen, daß sowohl Mikrofone mit Kugel- als auch Nierencharakteristik betriebliche Vor- und Nachteile aufweisen. Ein für alle Zwecke optimal geeignetes dynamisches Universalmikrofon gibt es noch nicht.

Da die Verkaufspreise auch von sehr hochwertigen Mikrofonen heute erstaunlich niedrig sind, wäre es zweckmäßig, wenn sich Tonbandfreunde je ein Mikrofon mit Kugel- und Nierencharakteristik kaufen würden. Dann könnte bei jeder Aufnahme das für den jeweiligen Verwendungszweck optimal geeignete Mikrofon benützt werden.

Zusammenfassung :

Es erschien uns richtig, in dieser Folge zunächst das Zustandekommen der Richtcharakteristiken und die sich daraus ergebenden betrieblichen Besonderheiten aufzuzeigen. In der nächsten Fortsetzung wird u. a. erläutert, welche Signalspannung von dynamischen Mikrofonen erwartet werden kann, welche Anpassungsbedingungen beachtet werden müssen und welche Bedeutung die vielerlei Mikrofon-Fachausdrücke haben.
(wird fortgesetzt) Di.

WIE FUNKTIONIEREN UNSERE MIKROFONE ? (3) fehlt

"tonband" - Heft 5 • Oktober 1967 • 4. Jahrgang
WIE FUNKTIONIEREN UNSERE MIKROFONE ? (Teil 4)

Anmerkung : Wo ist der Teil 3 geblieben ?? Also da geht es auch kreuz und quer durcheinander.

In der dritten Folge dieser Artikelreihe (die aber in keinem Heft zuvor zu finden war) haben wir uns mit dem Aufbau der Schwingspule bei dynamischen Mikrofonen und den sich hieraus ergebenden Anpassungsbedingungen an den nachfolgenden Verstärker, dem Feld-Leerlauf-Übertragungsfaktor sowie mit den Frequenzgang- Darstellungen von Mikrofonen befaßt.

Hierbei wurde der Frequenzverlauf eines Mikrofones mit Kugelcharakteristik in Abhängigkeit von der Schalleinfallsrichtung, also sein Richtdiagramm dargestellt.
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a) Das Richtdiagramm

In dieser Fortsetzung wollen wir uns unter anderem etwas genauer mit Richtdiagrammen beschäftigen. Zunächst mag interessieren, wie derartige Diagramme aufgenommen werden.

Hierbei befindet sich das zu messende Mikrofon, welches nacheinander mit einer Reihe von Festfrequenzen beschallt wird, auf einem um 360°, d. h. um einen Vollkreis, drehbaren Stativ.

Der sogenannte "schalltote" Raum

Damit die so gewonnenen Meßergebnisse nicht durch Schallreflektionen beeinträchtigt, d. h. verfälscht werden, müssen derartige Untersuchungen entweder im freien Schallfeld oder in einem schalltoten Raum stattfinden. Eine ausreichend weite unbebaute Fläche, also ein freies Schallfeld, bei dem außerdem völlige Stille herrschen muß, steht heute praktisch nicht mehr zur Verfügung. Man benutzt daher für die elektroakustischen Messungen an Mikrofonen und Lautsprechern ausreichend große Räume, deren Wände, Decken und Fußböden durch geeignete Dämpfungsmaßnahmen die Schallenergie im Bereich von mindestens 150 Hertz bis an die obere Grenze des Hörbereiches völlig, unterhalb von 150 Hz weitgehend absorbieren, also „schalltot" sein müssen.

Ein Blick auf den Kurvenverlauf

Während der Messungen mit den gewählten Festfrequenzen wird das zu untersuchende Mikrofon langsam um einen Vollkreis gedreht und gleichzeitig registriert, wie sich - in Abhängigkeit vom jeweiligen Schalleinfallswinkel - bei den einzelnen Festfrequenzen die Mikrofonausgangsspannung ändert. Da der Kurvenverlauf zwischen 0° und 180° bzw. 360° und 180° durchweg spiegelsymmetrisch ist, zeichnet man, der besseren Gesamtübersicht wegen, einen Teil der Festfrequenzen nur in der linken, den anderen Teil nur in der rechten Diagrammhälfte auf (Bild 1). Die Kurven eines Richtdiagrammes geben also nicht nur Auskunft über den Frequenzgang, sondern auch über den Verlauf der Mikrofonausgangsspannung bzw. deren „Auslöschung" in Abhängigkeit vom jeweiligen Schalleinfallswinkel. In den Mikrofon-Datenblättern findet man anstelle des Ausdrucks „Auslöschung" auch den Begriff „Richtungsmaß".

Richtungsmaß und Bündelungsgrad

Gleichzeitig werden der Winkel und häufig die Frequenz für die angeführte Auslöschung angegeben. Gemäß dem Richtdiagramm in Bild 1 würde für das entsprechende Nierenmikrofon die Datenangabe lauten:

Auslöschung bzw. Richtungsmaß bei 180° und 1kHz ist 17dB. Solange der zu unterdrückende Störschall etwa auf der Mikrofonrückseite liegt, also nur eine Rückwärtsdämpfung benötigt wird, reicht das Wissen um die gegebene Auslöschung aus. Viel öfter jedoch gelangt der Störschall nicht nur von rückwärts, sondern von allen Seiten auf das Mikrofon. Um ebenfalls unter diesen Betriebsbedingungen die mit Richtmikrofonen erreichbare Unterdrückung des Störschalles beurteilen zu können, hat man in der Normung (DIN 45 590) ein weiteres Maß, nämlich den „Bündelungsgrad" eingeführt.

b) Der Bündelungsgrad

Bei der Bestimmung des Bündelungsgrades, der durchweg mit Hilfe der Richtcharakteristik unter Beachtung der DIN 45591 grafisch ermittelt wird, setzt man die Schallaufnahme des Richtmikrofones mit der eines idealen Kugelmikrofones gleicher Empfindlichkeit für Direktschall in Beziehung.

Das Verhältnis der hierbei von beiden Mikrofonarten abgegebenen elektrischen Leistung bezeichnet man als „Bündelungsgrad".

Ein Mikrofon mit idealer Kugelcharakteristik hat eine konstante Rundum-Empfindlichkeit und daher den Bündelungsgrad „1". Gute Nieren- und Achtermikrofone erreichen einen Bündelungsgrad bis zu „3". Den größten Bündelungsgrad besitzen Super- oder Hypercardioide. Sie werden auch Super-Nierenmikrofone genannt und haben einen Bündelungsgrad bis zu „4".

Über die Größe des Bündelungsgrades

Was besagt uns die Größe des Bündelungsgrades für den praktischen Betrieb? In ihr ist der Wert enthalten, um den der Besprechungsabstand eines Richtmikrofones - bei gleichem Störschall-Einfluß - größer sein darf als der eines Kugelmikrofones gleicher Empfindlichkeit bzw. um wieviel bei Richtmikrofonen und gleichem Mikrofonabstand die aufgenommene Störschall-Energie abnimmt.

Die Schallleistung nimmt bekanntlich nicht linear, sondern mit dem Quadrat des Besprechungsabstandes ab.

Daher vergrößert sich bei einem Bündelungsgrad von z. B. „3" der gegenüber einem Mikrofon mit Kugelcharakteristik zulässige Besprechungsabstand nicht um den Faktor 3, sondern nur um den aus 3 = 1,73.

Befände sich ein Kugelmikrofon 2 Meter von einer Schallquelle, so dürfte ein Richtmikrofon mit gleichem Feld-Leerlauf-Übertragungsfaktor und dem Bündelungsgrad „3", bei unverändertem Störschall-Einfluß, in einer Entfernung von 2 X 1,73 = 3,46 m vor der Schallquelle aufgestellt werden.

c) Symmetrischer und unsymmetrischer Mikrofonanschluß

In der dritten Folge haben wir bereits erfahren, warum es zweckmäßig ist, nieder-ohmige Mikrofone nicht unmittelbar, sondern unter Zwischenschaltung eines Mikrofonübertragers mit dem nachfolgenden Verstärker zu verbinden. Dieser Übertrager kann entweder fest im Mikrofonverstärker eingebaut sein oder als sogenannter Schnurübertrager von außen unmittelbar mit dem hochohmigen Mikrofoneingang verbunden werden.

Da ein Übertragereingang nicht zwangsläufig symmetrisch sein muß, wurde in der vorstehenden Rückblende zur dritten Folge bewußt noch nicht der Ausdruck „symmetrischer Anschluß" benutzt.

Was ist nun unter einem symmetrischen Anschluß zu verstehen?

Bei einem solchen sind, wie Bild 2 zeigt, grundsätzlich beide Modulationsadern elektrisch gleichwertig. Sie führen nicht nur gegeneinander, sondern auch gegenüber dem „O Volt-Potential" Spannung. Wie Bild 2 weiter erkennen läßt, besitzt die mit dem O V-Potential verbundene Abschirmung des Mikrofonkabels keinerlei galvanische Verbindung mit den beiden Signaladern.

Störfelder, soweit sie nicht sehr stark sind, können auch bei einfach geschirmten Mikrofonkabeln und größeren Anschlußlängen in die beiden Signaladern keine wirksam werdende Störspannung induzieren, da sich diese in der Primärwicklung des Mikrofonübertragers - infolge der elektrischen Gleichwertigkeit der beiden Anschlußleitungen - wieder aufheben.

Nachteil eines einadrigen abgeschirmten Kabels

Würde jedoch, z. B. aus Gründen falscher Sparsamkeit, für die vorgenannte Mikrofonverbindung nur ein einadriges abgeschirmtes Kabel benutzt, wobei die Abschirmung (das Schirmgeflecht) gleichzeitig als Rückleiter diente, und daher nicht nur mit dem O V-Potential des Verstärkers, sondern ebenso mit dem einen Ende der Primärwicklung verbunden wäre, so hätten wir, trotz zwischengeschalteten Übertragers, anstelle des symmetrischen einen unsymmetrischen Mikrofonanschluß.

Die vorbeschriebenen Vorteile beim symmetrischen Betrieb würden entfallen. Bei einem unsymmetrischen Anschluß bzw. Eingang, wie ihn Bild 3 zeigt und wie er bei allen hochohmigen Verstärkereingängen vorliegt, führt nur eine Ader bzw. ein Anschlußpunkt Signalspannung, ist also, wie man im Fachjargon sagt, „heiß".

Die Rückleitung der Modulation erfolgt über das OV-Potential und ist daher „kalt". Dies bedeutet jedoch nicht, daß OV-Leitungen und deren Belegung, d. h. Ausnutzung, unkritisch seien.

Im Gegenteil: Manche nicht aufgefundene Brummstörung hat ihre Ursache in einer verkehrt gewählten OV-Verbindung und/oder fehlerhaften Erdung der Gesamtanlage.

Diese O Volt-Verbindungen sind unsere Masse-Leitungen

  • Anmerkung : Oft werden Masse-Leitungen mehrfach benutzt. Das könnte auch für solche einadrigen Mikrofonleitungen gelten, wenn an anderen Quellen die Masse nicht sauber verbunden oder sogar doppelt verbunden ist.


Der Autor hier beschreibt das so:
Betrachtet man das Schaltbild eines Verstärkers, so sieht man, daß die OV-Verbindungen als Rückleitung sowohl für Modulations- als auch Gleichströme der unterschiedlichsten Größen dienen. Benutzt man z. B. nur einen einzigen Draht zur gemeinsamen Rückleitung kleiner Modulationsströme und gleichzeitig für die wesentlich größeren pulsierenden Gleichströme des Stromversorgungsteiles, so müssen letztere die schwachen Modulationsströme beeinflussen, d. h. Brummstörungen verursachen.

Das gleiche gilt naturgemäß auch bei einer Mehrfachausnutzung der Kabelabschirmung von Mikrofon-, Tonabnehmer- und ähnlichen, besonders niederpegeligen Verbindungsleitungen.

Im Ton-Studio nennt man das die Masse-Schiene

Um z. B. bei Verstärkern mit hoher Eingangsempfindlichkeit die Brummspannung möglichst klein zu halten, werden deren OV-Leitungen mit unterschiedlich großen Strömen erst an einem gemeinsamen „Sternpunkt" zusammengefaßt und auch nur dort mit dem Chassis verbunden.

Die vorstehenden Grundsätze gelten nicht nur für Einzelgeräte, sondern sollten auch bei ihrer Zusammenfassung zu einer ganzenHifi-Anlage beachtet werden.

Für die Abschirmung unsymmetrischer Verbindungen, besonders bei größeren Kabellängen, gilt folgende Überlegung:

Wenn ein Leitungsweg nicht geschlossen ist, so kann in ihm zwangsläufig kein Strom fließen und somit in diesem auch kein Spannungsabfall entstehen. Diese
simple Tatsache sollte man bei unsymmetrischen geschirmten Verbindungsleitungen beachten und dadurch ausnutzen, daß man für diese ebenfalls zweiadriges geschirmtes Kabel verwendet.

Die Kabelanschlußbuchsen bzw. -stecker sind so zu belegen, daß die beiden Innenleiter einerseits mit den Modulationsklemmen des Mikrofons, andererseits mit den entsprechenden Anschlüssen des Verstärkereinganges verbunden werden (siehe hierzu auch die erste Folge der Artikelreihe in Heft 1/67). Hierbei dient die eine Signalader als „heiße" Leitung, die andere mit dem OV-Potential des Verstärkers verbundene als Rückleitung.

Die Kabelabschirmung erhält auf der einen Seite nur mit dem Mikrofongehäuse und auf der anderen Seite lediglich mit der OV-Klemme der Eingangsbuchse Kontakt. Wie Bild 4 zeigt, wird der Stromkreis zwischen der Modulationsquelle und dem Verstärker ausschließlich über die beiden Signaladern geschlossen, während die Abschirmung einen offenen Leitungszug darstellt, über den kein Strom fließen kann. Hierdurch wird bei unsymmetrischen Verbindungen, selbst bei größeren Kabellängen, die Gefahr einer Störspannungsinduktion auf die „heiße Ader" verringert.

Beim Anschluß relativ niederpegeliger unsymmetrischer Quellen, dazu zählen auch die mittel- und hochohmigen Mikrofone, werden häufig erst durch die vorbeschriebene Maßnahme Brummeinstreuungen unterdrückt.

d) Der Einfluß der Kabellänge auf den Frequenzgang

Beim Anschluß mittel- und hochohmiger Quellen ist jedoch nicht nur dafür Sorge zu tragen, daß mögliche Brummeinstreuungen entlang dem Kabelwege auf ein Minimum reduziert werden, sondern ebenso, daß in diesem keine die Wiedergabe beeinträchtigenden Höhenverluste infolge zu großer Kabellängen entstehen.

Obwohl wir auf die Ursache der Höhendämpfung durch abgeschirmte Anschlußkabel bei Verwendung mittel- und hochohmiger Mikrofone bereits in der dritten Folge kurz eingegangen waren, erscheint es uns dennoch nützlich, nochmals auf dieses Thema zurückzukommen.

Die „heiße" Signalader bildet mit der Abschirmung eine Kapazität, „Kabelkapazität" genannt. Sie wird mit zunehmender Kabellänge zwangsläufig größer. Eine Kapazität, also ein Kondensator, ist nichts anderes als ein Wechselstromwiderstand, der mit steigender Frequenz kleiner wird und sich mittels der bereits in Heft 4/67 genannten Gleichung (2) errechnen läßt.

Beispiel für die Kabelkapazität

Das Ersatzschaltbild (Bild 5) zeigt die Zusammenschaltung einer Modulationsquelle „Q" mit einem Verstärker über ein Kabel.

Hierbei ist „Rj" der Innenwiderstand der Quelle „Q", Rc die Kabelkapazität und „Rv" der Verbrauchs- bzw. Eingangswiderstand des Verstärkers.

Aus dem Ersatzschaltbild ist ohne weiteres ersichtlich, daß die Serienschaltung von Rj und Rc einen Spannungsteiler bildet, der um so wirksamer wird, je größer - bei konstantem Rj - gemäß Gleichung (1) die Kapazität und/oder die Frequenz ist. Außerdem läßt sich aus Bild 5 ablesen, daß bei kleinem Rj, also niederohmiger Quelle (z. B. Mikrofon mit einem Innenwiderstand von 200 Ohm), die Kabellänge und damit die Kabelkapazität schon sehr groß sein muß, bevor sie als Dämpfungsursache für die Frequenzen am oberen Ende des Hörbereiches wirksam werden kann.

Die Modulationsquellen weisen unterschiedliche Innenwiderstände, die abgeschirmten Verbindungskabel z.T. stark voneinander abweichende Kapazitäten auf. Es kann daher nicht - wie bei einem Kochbuchrezept - gesagt werden, daß die maximal zulässige Anschlußlänge für mittel- oder hochohmige Mikrofone „x-Meter" betragen darf. Diese muß vielmehr aus dem jeweils gegebenen Quellen-Innenwiderstand und der Gesamtkabelkapazität berechnet werden. Es läßt sich hier lediglich darauf hinweisen, daß für die gewünschte obere Grenzfrequenz (die DIN 45.500 fordert mindestens 12.500 Hz) die zulässige Maximaldämpfung von 3dB das entspricht 30% im Kabel entsteht, wenn bei dieser Rq = Rj wird.

e) Mikrofonstörspannung und Ersatzlautstärke

In den Datenblättern von Kondensator-Mikrofonen findet man unter anderem den Ausdruck „Ersatzlautstärke" mit einer zugeordneten dB-Angabe. Verbindet man ein Mikrofon, das in einem absolut stillen Raum aufgestellt ist, mit einem sehr brumm- und rauscharmen Verstärker, so wird man - in Abhängigkeit von der Größe des Mikrofon-Feld-Leerlauf-Übertragungsfaktors - eine mehr oder minder geringfügige Zunahme des Rauschens beobachten können.

Bei dynamischen Mikrofonen entsteht die Rauschspannung durch thermische Elektronenbewegung im ohmschen Widerstand der Schwingspule bzw. des eingebauten Übertragers.

Bei Kondensator-Mikrofonen, deren Wirkungsweise wir in einer späteren Folge kennenlernen, wird das Rauschen durch den z. T. sehr hohen Eingangswiderstand hinter der Kapselkapazität sowie durch das Verstärkerelement (Röhre oder Transistor) verursacht. Entsprechend der Mikrofonempfindlichkeit oder - normgerecht ausgedrückt - dem Feld-Leerlauf-Übertragungsfaktor wird die Rauschspannung einen unterschiedlichen Wert aufweisen.

Jetzt zur Ersatzlautstärke

Mit größer werdendem Übertragungsfaktor steigt auch die Rauschspannung an. Deshalb ist nicht deren absoluter Wert, sondern vielmehr das Verhältnis zu der hierbei abgegebenen Signalspannung von betrieblichem Interesse. Um das Eigenrauschen von Mikrofonen trotz unterschiedlichem Übertragungsfaktor dennoch unmittelbar miteinander vergleichen zu können, hat man den Begriff der „Ersatzlautstärke" geschaffen.

Hierunter versteht man die Lautstärke, die ein dem Mikrofonrauschen äquivalenter Störschall erzeugen würde.

Bei der Berechnung der Ersatzlautstärke wird das Verhältnis zwischen der gemessenen Mikrofonrauschspannung zum jeweiligen Feld-Leerlauf-Übertragungsfaktor gebildet. Als Bezugswert dient der bei der Hörschwelle und 1000 Hz herrschende Schalldruck von 2 x 10"-4 ubar. Der so erhaltene Wert ist von der Mikrofonempfindlichkeit unabhängig und gestattet daher einen unmittelbaren Vergleich der Rauscheigenschaften von Mikrofonen.

Die Angabe der Ersatzlautstärke erfolgt nicht mehr in Phon, sondern nach DIN 45 590 als äquivalenter Schalldruckpegel in „dB". Hierbei entspricht der Schalldruck von 2 x 10"-4 ubar einem Schalldruckpegel von O dB.

Von der Ersatzlautstärke zum Mindest-Nutzschallpegel

Entsprechend der vorstehenden Definition besagt die Ersatzlautstärke, um wieviel dB der durch das Mikrofonrauschen entstandene Schalldruckpegel über dem der Hörschwelle, d. h. der Empfindlichkeitsgrenze des menschlichen Ohres liegt.

Verfolgen wir diesen Gedanken weiter, so nennt uns dieser Begriff auch den Mindest-Nutzschallpegel, der von einem Mikrofon gerade noch aufgenommen werden kann. Es bedarf keiner besonderen Erläuterung, daß ein Mikrofon, dessen Störgeräusch z. B. einer Ersatzlautstärke von 30 dB entspricht, d. h. um 30 dB über dem Schalldruckpegel der Hörschwelle liegt, nicht in der Lage sein kann, ein Schallereignis von 25 dB wiederzugeben. Je kleiner also die in dB ausgedrückte Ersatzlautstärke ist, um so größer werden - unter Ausklammerung der Umgebungsgeräusche - der Dynamikbereich und ebenso das Auflösungsvermögen des entsprechenden Mikrofones sein.

Messungen der Störgeräusche mit einem Bewertungsfilter

Die Frequenzanalyse der Mikrofonstörspannung zeigt, daß diese nur im Bereich der mittleren bis höheren Frequenzen die Hörschwelle des menschlichen Ohres überschreitet. Deshalb erfolgt bei der Berechnung der Ersatzlautstärke die Bestimmung der Mikrofonstörspannung nicht mittels einer frequenzganglinearen, d. h. unbewerteten Fremdspannungsmessung, sondern mit einem Geräuschspannungsmesser, dessen Eigenschaften in der DIN 45 405 festgelegt sind. Dieses Meßgerät arbeitet mit Spitzenwertgleichrichtung und enthält ein derart ausgelegtes Bewertungsfilter, daß der angezeigte Meßwert dem subjektiv empfundenen Störgeräusch weitgehend entspricht.

Erfahrungswerte ud Prospektdaten

Nachdem wir nun wissen, was unter dem Begriff „Ersatzlautstärke" zu verstehen ist und wie diese bestimmt wird, interessiert uns zwangsläufig, wie groß durchschnittlich die Ersatzlautstärke von Mikrofonen ist.

Bei Kondensator-Mikrofonen nennen deren Datenblätter einen Wert zwischen ca. 22 und 30dB. Bei diesen Abgaben ist darauf zu achten, daß sie auf der vorgenannten DIN 45405 und nicht auf der früher üblichen DIN-Lautstärkemessung nach DIN 5045 mit A-Filter und Effektivwertmessung basieren. Letztere Meßmethode, die mit den Gegebenheiten nicht genügend übereinstimmt, liefert bis zu 10 dB bessere Ergebnisse. (= ist also geschummelt !)

Die Ersatzlautstärke von dynamischen Mikrofonen liegt bei etwa < 20dB, wird aber aus folgendem Grunde in deren Datenblätter durchweg nicht genannt: Am Ausgang jedes Verstärkers läßt sich, in Abhängigkeit von seinem Verstärkungsfaktor, eine mehr oder minder große Geräuschspannung messen. Rechnet man diese, durch Division mit dem Verstärkungsfaktor, auf den Eingang des Mikrofonverstärkers um, so weist diese bei guten Geräten etwa die gleiche Größe wie das Eigenrauschen eines dynamischen Mikrofones auf. Beim Betrieb von dynamischen Mikrofonen ist daher nicht deren Ersatzlautstärke oder Rauschspannung, sondern die des nachgeschalteten Verstärkers von Bedeutung. Di.

WIE FUNKTIONIEREN UNSERE MIKROFONE ? (5) fehlt

"tonband" - Heft 1 • Februar 1968 • 4. Jahrgang
WIE FUNKTIONIEREN UNSERE MIKROFONE ? (Teil 6)

Bekanntlich werden von den Rundfunkanstalten und Schallplattenherstellern bei einem großen Prozentsatz ihrer Produktionen aus Qualitätsgründen Kondensator-Mikrofone verwendet. Obwohl diese wegen ihres hohen Anschaffungspreises nur von einem verschwindend kleinen Prozentsatz der Tonband-Amateure benutzt werden, erscheint es dennoch zweckmäßig, auch deren Wirkungsweise kennenzulernen.

Über die Wirkungsweise von Kondensator-Mikrofonen

Irgendwie ist das Thema in einem Heft schon mal da gewesen ???

a) Die Wirkungsweise von Kondensator-Mikrofonen in Niederfrequenz-Schaltung

Im Gegensatz zu den bisher besprochenen dynamischen und Kristall-Mikrofonen benötigt ein Kondensator-Mikrofon weder ein Magnetfeld noch den piezoelektrischen Effekt. Bei den elektrostatischen Mikrofonen wird vielmehr die Kapazitätsänderung eines Kondensators dazu ausgenutzt, Schallwellen in proportionale elektrische Schwingungen umzuwandeln. Der hierfür benötigte Kondensator befindet sich in der Mikrofonkapsel und besteht aus einer festen und mindestens einer beweglichen Elektrode (Bild 1).

Letztere dient gleichzeitig als Membran. Wie Bild 1 weiter erkennen läßt, liegen mit der Kapselkapazität, die einen Wert von ca. 100 pF aufweist, ein Widerstand sowie eine Gleichspannungsquelle in Serie.

Die grundsätzliche Funktion dieser Anordnung ist folgende: Trifft eine Schallwelle auf die Membran, so biegt sich letztere - je nach der Größe des Schalldruckes - mehr oder minder stark durch. Hierdurch entsteht, infolge des wechselnden Abstandes zwischen der festen und beweglichen Elektrode, eine Kapazitäts- und damit eine Ladungsänderung. Infolge des wechselnden Ladestromes entsteht an dem Widerstand R ein proportionaler Spannungsabfall, der zur Steuerung des nachfolgenden Niederfrequenzverstärkers dient. Dieser Spannungsabfall und damit die zur Verfügung stehende Steuerspannung wächst mit dem Widerstandswert von „R", mit zunehmender Gleichspannung „U" und größer werdender Kapazitätsänderung gegenüber der Ruhekapazität.

Die Datenblätter nennen für Kondensator-Mikrofone durchweg einen Übertragungsbereich von 20 bis 20.000 Hz.

Wie bereits erwähnt, beträgt die Kapazität der Mikrofonkapsel ca. 100 pF. Bei dieser Kapazität und einer unteren Grenzfrequenz von 20 Hz ergibt sich gemäß der uns bereits aus der 3. Folge bekannten Gleichung (2) ein Wechselstromwiderstand von:

Läßt man bei der unteren Grenzfrequenz von 20 Hz eine Dämpfung von 3dB zu, so muß der mit der Mikrofonkapsel in Serie liegende Widerstand R ebenfalls einen Wert von 80 MOhm aufweisen. Durchweg findet man in den Kondensatormikrofonen hierfür einen 100 MOhm-Widerstand.

Die Details zu den hochohmigen Kapseln

Aus der vorstehenden einfachen Rechnung ist zunächst zu ersehen, daß der Eingangsteil von Kondensator-Mikrofonen in Niederfrequenzschaltung außerordentlich hochohmig sein muß. Hieraus ergeben sich bei diesem Mikrofontyp folgende Erfordernisse und auch Nachteile:

1. Die beiden Elektroden der Kapselkapazität müssen gegeneinander sehr gut isoliert sein. Ebenfalls muß der Isolationswiderstand sämtlicher Bauelemente des Mikrofoneingangskreises gegeneinander und gegen Masse außerordentlich hoch sein.
2. Infolge seiner Hochohmigkeit ist der Eingangskreis eines Kondensator-Mikrofones unter anderem sehr empfindlich gegen Feuchtigkeit und Witterungseinflüsse. Durch diese kann nicht nur der Wert des Widerstandes R merkbar verkleinert, sondern auch starke Brodel- und Prasselgeräusche verursacht werden.
3. Die in dem Eingangskreis fließenden Ströme und die hierdurch am Widerstand R entstehenden Spannungsabfälle sind zwangsläufig äußerst klein und wegen der Hochohmigkeit der Anordnung gleichzeitig sehr anfällig gegen Störspannungseinstrahlungen. Um die hieraus entstehende Verschlechterung des Störabstandes im Rahmen des Möglichen zu unterbinden, baut man, wie Bild 2 erkennen läßt, die Mikrofonkapsel, den Widerstand R und den Mikrofonverstärker als geschlossene Einheit sehr gedrängt auf.
4. Die erforderliche Hochohmigkeit beinhaltet noch einen weiteren Nachteil. In jedem Widerstand entsteht infolge ungleichmäßiger Elektronenbewegung eine Rauschspannung. Diese wächst mit zunehmendem Widerstandswert und beträgt bei Kondensatormikrofonen ca. 7,6uV entsprechend -100dB.

Der Rauschpegel des Kondensator-Mikrofonausganges übertrifft somit das auf den Eingang einer nachfolgenden hochwertigen Übertragungsanlage umgerechnete Verstärkerrauschen um ca. 15 dB. Dies bedeutet, daß der maximal erreichbare Signal-Rauschspannungsabstand nicht von der Verstärkeranlage, sondern vom Kondensatormikrofon in Nf-Schaltung bestimmt wird.

Es ist daher nur allzu verständlich, daß von den Herstellern dieser Mikrofone mit pedantischer Sorgfalt darüber gewacht wird, nur ganz hochwertige Widerstände in den Kapselkreis einbauen zu lassen. Aus dem gleichen Grunde verwendet man für Kondensator-Mikrofone in Niederfrequenzschaltung nur Speziairöhren mit extrem kleinem Eigenrauschen. Diese Röhren müssen außerdem eine ganz besonders niedrige Klingempfindlichkeit aufweisen.

Seit ungefähr einem Jahr werden Feld-Effekt-Transistoren gefertigt, deren Eigenrauschen mit dem der vorgenannten Spezialröhren vergleichbar ist. Somit können auch transistorbestückte Kondensator-Mikrofone in Niederfrequenzschaltung gebaut werden. Hierdurch entfällt u. a. die Notwendigkeit der Röhrenheizung, die bei röhrenbestückten Kondensator-Mikrofonen absolut frei von irgendeiner Welligkeitsspannung sein muß. Außerdem benötigt ein Transistor eine kleinere Betriebsspannung als eine Röhre. Als weiterer Vorteil des Transistors im Mikrofonbetrieb muß dessen absolute Klangunempfindlichkeit genannt werden.

Die schwingende Masse des Mikrofones und der Signalpegel

Aufgrund der in dieser Artikelreihe bereits gebrachten Erklärungen wissen wir, daß der Signalpegel eines Mikrofones um so größer ist, je stärker dessen Membran bewegt wird.

Wir wissen außerdem, daß die möglichst trägheitslose Umsetzung von Schallwellen, die in ihrer Zusammensetzung meist sehr kompliziert sind, um so besser, d. h. unverfälschter erfolgt, je kleiner die schwingende Masse des Mikrofones ist.

Beim Kondensator-Mikrofon bewirken die Schallwellen, wie bereits zu Beginn des Absatzes a) erläutert, eine Kapazitätsänderung in der Kapsel. Je größer also für einen gegebenen Schalldruck die hierdurch entstehende Kapazitätsänderung ist, desto größer wird auch die Änderung des Kondensator-Ladestromes und damit die am Eingang des Mikrofonverstärkers wirksame Steuerspannung sein.

Würde der Abstand zwischen der schwingfähigen und der festen Kapselelektrode z. B. 1mm betragen und würde die Membranelektrode um z. B. 1um hin und her bewegt, so wäre die hierbei entstehende Kapazitätsänderung zwangsläufig viel geringer, als wenn bei einer gleichgroßen Membranbewegung der Abstand zwischen den beiden Elektroden nur wenige um beträgt.

Aufbau einer Kondensator-Mikrofonkapsel

Über den praktischen Aufbau einer Kondensator-Mikrofonkapsel ist folgendes zu sagen: Als feste Elektrode wird häufig ein Keramikring benutzt, in dessen Fläche ein nur wenige um starker Silberbelag eingebrannt ist. Unter Zwischenschaltung eines nur wenig stärkeren, ebenfalls eingebrannten Abstandsringes wird die Membran, deren Stärke zwischen ca. 3,5um bis ca. 5,0um liegt und eine schwingende Masse von nur etwa 0,5mg (!) - im Gegensatz zu etwa 50mg bei Tauchspulenmikrofonen - aufweist, sehr stramm aufgespannt.

Als Membran wird heute anstelle von Aluminium eine Kunststoffolie (z. B. Titan- oder Mylarfolie) verwendet, auf deren Außenseite als Gegenelektrode durchweg ein mehr als hauchdünner Goldbelag aufgedampft ist. Der Abstand zwischen der festen und der Membranelektrode, die ein äußerst steifes Luftpolster einschließen, beträgt schätzungsweise 6 bis 8um. Um bei konstantem Schalldruck eine weitestgehend frequenzunabhängige Membranauslenkung, d. h. Kapazitätsänderung zu erreichen, wird das System so abgestimmt, daß seine Eigenfrequenz etwas oberhalb von 10kHz liegt.

Wegen des winzigen Abstandes zwischen der straff gespannten Membran und ihrer festen Gegenelektrode ist die Steifheit des eingeschlossenen Luftpolsters um ein Vielfaches größer als die der Membran. Hieraus erklärt sich, daß die mechanische Empfindlichkeit der weniger als hauchdünnen Membran eines Kondensator-Mikrofones - trotz des etwa vergleichbaren Membrangewichtes - bei weitem nicht so groß ist wie bei Bändchenmikrofonen.

Außerdem werden durch das steife Luftpolster - ähnlich wie bei den rückseitig geschlossenen Lautsprecherboxen - ungesteuerte Ein- und Ausschwingvorgänge der Membran so stark gedämpft, daß sie weit unterhalb der Wahrnehmbarkeitsschwelle liegen. Dies dürfte im Zusammenhang mit dem winzigen Membrangewicht die Ursache sein, daß man bis heute bei Benutzung von Kondensator-Mikrofonen immer noch die "exakteste" Umsetzung von Schallenerqie in elektrische Schwingungen erhält.

Ein wenig über Tunig dieser Mikrofone

Obwohl Kondensator-Mikrofone in Niederfrequenzschaltung wegen der Hochohmigkeit ihres Eingangskreises störanfälliger und gleichzeitig teurer in der Anschaffung sind als z. B. dynamische Studio-Mikrofone, werden erstere dennoch, wegen der vorerwähnten Tatsachen, von fast allen Rundfunkanstalten und Schallplattenherstellern für anspruchsvolle Produktionen eingesetzt.

Die starke Membrandämpfung durch das eingeschlossene Luftpolster bewirkt - wie bei den Lautsprecherboxen - eine Verkleinerung der Ansprechempfindlichkeit. Damit diese Dämpfung nicht zu groß wird, erhält die Festelektrode die in Bild 1 sichtbaren Bohrungen. Sie vergrößern das Volumen der eingeschlossenen Luft.

Gleichzeitig wird mit Hilfe dieser Bohrungen das Kapselsystem so abgestimmt, daß störende Resonanzstellen unterdrückt werden, also ein ausgeglichener Über-alles-Frequenzgang gegeben ist.

Die Versorgungs- bzw. Polarisationsspannung

Wie bereits zu Beginn des Absatzes a) gesagt wurde, steigt die Empfindlichkeit eines Kondensator-Mikrofones mit wachsender Polarisationsspannung an den Kapselbelägen. Diese Spannung kann jedoch nicht beliebig gesteigert werden.

Genau wie bei den in anderen Geräten befindlichen Kondensatoren gibt es auch für die Kapselkapazität eine maximal zulässige Gleichspannung. Wird diese überschritten, so erfolgt ein Spannungsüberschlag, durch den die Kapselkapazität kurzgeschlossen und damit zerstört werden kann. Die Durchschlagspannung ergibt sich aus dem Abstand der beiden Elektroden und dem für die Membran benutzten Material. Im Interesse einer möglichst hohen Empfindlichkeit liegt die Betriebsgleichspannung nahe bei der Durchschlagspannung und beträgt, je nach Mikrofonmodell bzw. Hersteller, 100 bis 150 Volt.

Bei transistorisierten Mikrofonen ist die für den Kapselverstärker benötigte Betriebsspannung bekanntlich wesentlich niedriger als bei Röhrenbestückung dieses Verstärkers.

Um trotzdem an der Kapsel die erforderliche Polarisationsspannung von 100 bis 150 Volt zu bekommen, enthalten die transistorbestückten Kondensator-Mikrofone zusätzlich einen kleinen Converter, in dem diese Spannung erzeugt wird.

b) Die Schaffung der Richtcharakteristik bei Kondensator-Mikrofonen

Aus der 2. Folge dieser Artikelreihe (Heft 2/67) wissen wir bereits, daß Mikrofone, deren Membran nur an der Vorderseite von Schallwellen getroffen wird, eine etwa gleichmäßige Rundum-Empfindlichkeit, d. h. eine Kugel-Charakteristik besitzen.

Können die Schallwellen hingegen die Vorder- und Rückseite der Membran erreichen, so erfolgt deren Bewegung durch die hierbei entstehende Schalldruck-Differenz. Diese Druckgradienten-Empfänger weisen je nach ihrem Aufbau eine Nieren- oder Achtercharakteristik auf. Die Kapsel eines Kondensator-Mikrofones, deren Aufbau dem in vorstehendem Bild 1 skizzierten entspräche, lieferte also eine gleichmäßige Rundum-Empfindlichkeit, weil nur die Membranvorderseite von Schallwellen erreicht werden kann.

Führt man eine gewisse Anzahl der in Bild 1 gezeichneten Bohrungen durch die Festelektrode, so wie dies in Bild 3a dargestellt ist, so entsteht bei der Beschallung an den beiden Membranflächen eine durch die Druckdifferenz bedingte Membranbewegung. Bei seitlichem Schalleinfall (90° bzw. 270") hingegen ist der auf beide Membranflächen wirkende Druck etwa gleich groß. Es kann daher keine oder nur eine sehr geringe Membranbewegung entstehen. Der in Bild 3a skizzierte Kapselaufbau ergibt daher eine achterähnliche Richtcharakteristik.

Techniken mit einer oder zwei Kapseln

Die gleiche Richtcharakteristik wird erzielt, wenn man auf jeder Membranseite eine durchbohrte Festelektrode anordnet, so wie dies in Bild 3b grundsätzlich dargestellt ist. Bringt man hingegen auf beiden Seiten der durchbohrten Festelektrode je eine Membranelektrode an (Bild 4), so wird nicht nur auf deren Vorderseite der Schalldruck wirksam. Infolge der durchgehenden Bohrungen in der Festelektrode strömt die eingeschlossene Luft von einem System zum anderen über. Es entsteht also auch eine Druckdifferenz. Diese wirkt sich, entsprechend der in der 2. Folge auf Seite 38, Absatz c, erklärten Gegebenheiten, so aus, daß eine derart aufgebaute Mikrofonkapsel eine nierenförmige Richtcharakteristik aufweisen kann.

Außerdem besteht bei Kondensator-Mikrofonen, die in ihrer Kapsel eine Festelektrode und zwei Membranen besitzen, die Möglichkeit, ihre Richtcharakteristik - meist unter Zuhilfenahme der Polarisationsspannung - auch über Fernbedienung von Kugel- über Niere- zur Achterrichtwirkung umzuschalten.

Es gibt auch Mikrofone mit Hochfrequenzschaltung

Es mag aufgefallen sein, daß sowohl in der Überschrift als auch in den Ausführungen des Absatzes a) immer wieder der Zusatz „in Niederfrequenz-Schaltung" gebraucht wurde. In Absatz b) hingegen sprachen wir nur von der Richtwirkung bei Kondensator-Mikrofonen. Seit einiger Zeit werden von namhaften Firmen, z. B. Sennheiser electronic, auch Kondensator-Mikrofone gefertigt, bei denen die in der Kapsel entstehenden Kapazitätsänderungen einen Hochfrequenz-Kreis steuern, also eine sogenannte Hochfrequenzschaltung aufweisen. In der nächsten Folge dieser Artikelreihe werden wir uns u. a. über die Wirkungsweise dieser Mikrofone unterhalten. Di.

tonband - Heft 2 • April 1968 • 5. Jahrgang
WIE FUNKTIONIEREN UNSERE MIKROFONE ? (Teil7)

In der 6. Folge machten wir die Bekanntschaft mit dem bisher wohl am längsten in der Studiotechnik benutzten Mikrofontyp, dem Niederfrequenz- Kondensatormikrofon. Wir lernten seine Wirkungsweise, seine Vorteile, aber auch seine Schwäche kennen.

Letztere basiert auf dem sehr hochohmigen Arbeitswiderstand, der mit der Kapsel in Serie liegt. Dieser vergrößert nicht nur die erreichbare Ersatzlautstärke (Störspannung), sondern kann auch bei ungünstigen Witterungsbedingungen, z. B. bei hoher Luftfeuchtigkeit, zu Störungen Anlaß geben.

Aus dem Schlußabsatz der 6. Folge wissen wir bereits, daß es außer den Kondensatormikrofonen in Niederfrequenzschaltung auch solche mit Hochfrequenzschaltung gibt.

Keine direkte Schalldruckumwandlung mehr

Alle bisher besprochenen Mikrofontypen sind dadurch gekennzeichnet, daß sie die Schallwellen bzw. die durch sie verursachten Schalldruckänderungen unmittelbar in elektrische Schwingungen gleicher Frequenz umwandeln.

Beim Hochfrequenz-Kondensatormikrofon hingegen wird die Grundfrequenz des in diesem eingebauten Oszillators durch die bei der Beschallung entstehende Kapazitätsänderung der Kapsel beeinflußt und dann erst durch Gleichrichtung die gewünschte niederfrequente Signalspannung gewonnen.
.

a) Grundsätzliche Schaltungsmöglichkeiten bei Hf-Kondensatormikrofonen

Welche Ergebnisse würde man erzielen, wenn man die in Bild 1 der 6. Folge dargestellte Nf-Grundschaltung übernähme und anstelle einer Gleichspannungsquelle einen Hochfrequenzgenerator für die Mikrofonkapsel benutzte, so wie dies in Bild 1 dieser Folge dargestellt ist.

Die Beantwortung der vorstehenden Frage ergibt sich aus folgenden Überlegungen: Bei einem Hf-Kondensatormikrofon schwingt dessen Oszillator bereits im Megahertz-Bereich. Nehmen wir an, der Oszillator hätte eine Frequenz von 10 MHz. Bei der von uns in der 6. Folge angenommenen Kapselkapazität von 100 pF hat diese bei 10 MHZ eine Wechselstromwiderstand von

Formel

Ein wesentlich kleineres Eigenrauschen

Anstelle des 100 MOhm-Widerstandes beim Nf-Kondensatormikrofon würde hier ein 160 Ohm-Widerstand, der ein wesentlich kleineres Eigenrauschen aufweist, ausreichen. Ein solch niederohmiger Widerstand ändert selbst unter dem Einfluß hoher Luftfeuchtigkeit im ungünstigsten Falle seinen Wert nur um einen verschwindend kleinen Betrag. Wie hoch aber ist die Signalspannung pro Mikrobar Schalldruckänderung, die man von der in Bild 1 dargestellten Schaltung mit Hochfrequenzerregung erwarten dürfte? Antwort auf diese Frage erhalten wir bei Anwendung der nachstehenden Gleichung

Formel

man kann es errechnen

In der vorstehenden Gleichung bildet zunächst nicht nur der Wert von delta U (sprich: Delta U), sondern auch der Quotient von delta C/C eine Unbekannte. Wir können uns dadurch helfen, daß wir zunächst einmal den uns ja bekannten Wert für IU bei Niederfrequenz-Kondensatormikrofonen, nämlich 1mV/ubar, einsetzen. Da der grundsätzliche Aufbau der Mikrofonkapsel bei dem Nf-Kondensatormikrofon dem des mit Hf-Erregung enspricht, lösen wir die vorstehende Gleichung nach JC/C auf und berechnen die bei IU = 1 mV gegebene relative Kapazitätsänderung. Diese ergibt sich zu:

Formel

Jetzt also eine relative Kapazitätsänderung als Quelle

Da uns nunmehr die relative Kapazitätsänderung der Mikrofonkapsel bekannt ist, bereitet es keine Schwierigkeiten, die bei einem nach Bild 1 geschalteten Hf-Kondensatormikrofon zu erwartende Signalspannung zu bestimmen. Die von einem kleinen Hf-Generator gelieferte Erregerspannung beträgt jedoch nicht ca. 100 V. sondern nur etwa 10 V. Damit erhielten wir bei einer relativen Kapazitätsänderung der Kapsel von 10~5 nach unserer Gleichung

Formel

Kritisch ist das vom Hf-Generator erzeugte Rauschen

Die vorstehende Signalspannung bzw. Empfindlichkeit entspricht etwa der eines Tauchspulenmikrofones. Obwohl das Eigenrauschen des 160 Ohm-Widerstandes im Kapselstromkreis ebenfalls ungefähr den gleichen Wert wie der eines 200-Ohm-Tauchspulenmikrofones besitzt, wäre die am Ausgang eines derart geschalteten Hf-Mikrofones zu messende Rauschspannung dennoch höher, weil auch der Hf-Generator und der Hf-Gleichrichter eine Rauschspannungsquelle bilden.

Da außerdem die Amplitude der an der Kapsel liegenden Hf-Spannung ca. 10 V, die der Signalspannung pro ubar Schalldruckänderung nur 0,1 mV (= 0,0001 V) beträgt, ist die gegebene Modulationstiefe der Hochfrequenz, selbst bei wesentlich höheren Schalldrücken, mehr als gering.

Die Nutzung der in Bild 1 gezeigten Schaltung ist also unrationell. Wollte man den vorgenannten schlechten Wirkungsgrad mit Hilfe eines auf die Frequenz des Hf-Generators abgestimmten einfachen Parallel- oder Serienresonanzkreises verbessern, scheiterte dies an dem bei Parallelresonanz zu großen, bei Serienresonanz zu kleinen Scheinwiderstand dieses Kreises.

Einen Ausweg aus dieser Klemme zeigt die Prinzipschaltung in Bild 2. Mit Hilfe der hierbei angewandten Transformation ist eine Anpassung des aus der Kapselkapazität Cm und der Induktivität L, bestehenden Parallelresonanzkreises möglich. Stimmt man diesen Schwingkreis so ab, daß die Frequenz des Hf-Generators auf dessen Flanke liegt, so läßt sich die pro ubar Schalldruckänderung erreichbare Nf-Signalspannung um mindestens eine Zehnerpotenz gegenüber der in Bild 1 gezeigten Anordnung vergrößern. Allerdings bleibt auch bei dieser günstigeren Ausführung das vom Hf-Generator erzeugte Rauschen noch voll wirksam.

Etwas kompliziert - der Trick von Sennheiser

Sieht man jedoch - wie dies z. B. bei der Firma Sennheiser und ihren Hf-Kondensatormikrofonen der Fall ist - anstelle von nur einem Schwingkreis (gemäß Bild 2) zwei in Serie liegende vor und verbindet diese, wie es Bild 3 zeigt, mit dem Hf-Generator, so ist eine Brückenschaltung gegeben, in deren Brückendiagonale die Gleichrichter liegen.

Sind der Mikrofon-Schwingkreis Cm L, und der Kompensationsschwingkreis C2L2 exakt auf die gleiche Frequenz abgestimmt, so hebt sich die in den Schwingkreisen und im Hf-Generator entstehende Rauschspannung durch ihr Gegeneinanderwirken in der Brückendiagonale auf.

Somit bleiben hinter den Gleichrichtern nur die vom Mikrofonschwingkreis herrührenden modulationsbedingten Spannungsschwankungen sowie das Eigenrauschen der Gleichrichter wirksam.

Die durch Gleichrichtung gewonnene niederfrequente Nutzspannung wird in einer Transistorstufe verstärkt und gelangt von dort zu der nachgeschalteten Übertragungsanlage. Der von diesem Mikrofontyp zu erwartende Feld-Leerlauf-Übertrag ungsfaktor liegt zwischen 2 und 4 mV/ubar. Die nach DIN 45405 bestimmte Ersatzlautstärke von Hf-Kondensatormikrofonen mit der vorbeschriebenen Kompensationsschaltung ist ca. 4 dB kleiner als die von Kondensatormikrofonen in Niederfrequenzschaltung.

Ergebnis : höherer Aufwand, kleineres Rauschen

Damit die vorerwähnte niedrige Eigenstörspannung auch unter den verschiedensten Betriebsbedingungen über eine befriedigend lange Zeitspanne erhalten bleibt, wird durch entsprechende Konstruktions- und Fertigungsmaßnahmen dafür gesorgt, daß sich sowohl die Abstimmung beider Schwingkreise auf den exakt gleichen Wert bezieht, als auch die Schwingfrequenz des Oszillators nicht ändert.

Der Vergleich des grundsätzlichen Schaltbildes eines Nf-Kondensatormikrofones (siehe Bild 1 in Heft 1/68) mit dem eines Kondensatormikrofones in Hf-Schaltung gemäß Bild 3 zeigt, daß die günstigere Ersatzlautstärke, d. h. die kleinere Störspannung, mit einem höheren Aufwand erkauft werden muß. Den Innenaufbau eines solchen Hf-Mikrofones zeigt Bild 4.

b) Richtcharakteristik und Mikrofonspeisung
(Wichtig : es gibt auch Nachteile)

Entsprechend dem Vorgesagten ist es bei Hf-Kondensatormikrofonen von wesentlicher Bedeutung, daß sich die Ruhekapazität der Mikrofonkapsel gegenüber der im Kompensationsschwingkreis gelegenen Kapazität nicht ändert.

Hieraus ergibt sich aber auch eine betriebliche Einschränkung für diesen Mikrofontyp. Je nach dem Aufbau der Kapsel besitzt ein Hf-Mikrofon entweder Kugel- oder Richtcharakteristik. Eine Umschaltung auf die verschiedenen Richtcharakteristiken, wie sie in Absatz b der 6. Folge für Nf-Kondensatormikrofone beschrieben wurde, ist bei Hf-Mikrofonen wegen der damit verbundenen Kapazitätsänderung ebenso wenig möglich, wie ein einfacher Austausch einer Kapsel gegen eine andere.

Dafür aber stromsparende Batterie-Speisung

Da Kondensatormikrofone in Hf-Schaltung ausschließlich mit Transistoren bestückt sind, benötigt man zu deren Speisung nur eine niedrige Betriebsspannung. Sie beträgt z. B. bei allen Sennheiser Hf-Mikrofonen mit den Typenbuchstaben „MKH" einheitlich 8V ±1V.

Bei den Modellen mit unsymmetrischem Ausgang (MKH 104, 404 und 804, Impedanz ca. 110 Ohm) liegt die Speisespannung von 8Volt, die z. B. aus handelsüblichen Trockenbatterien entnommen werden kann, an den Stiften 2 (0 V) und 3 (-8 V). Die niederfrequente Ausgangsspannung ist mit dem Stift 1 des Mikrofonsteckers verbunden.

Während man bei den vorgenannten Modellen mit unsymmetrischem Ausgang eine dreiadrige, abgeschirmte Anschlußleitung benötigt, fließt bei den Hf-Mikrofonen mit symmetrischem Ausgang (MKH 105, 405 und 805, Impedanz ca. 10 Ohm) die Speise- und Modulationsspannung, wie Bild 5 zeigt, über das gleiche Adernpaar. Man benötigt also zum Anschluß dieser Mikrofone nur ein zweiadriges abgeschirmtes Anschlußkabel, dessen Schirm von keinem Strom durchflossen wird.

Einfache Trennnung von Speise- und Audio-Spannung

Die Trennung von Gleich- und Niederfrequenzspannung erfolgt mittels eines Trennübertragers, der gleichzeitig Bestandteil des nachgeschalteten Hauptverstärkers sein kann.

Bei den hierfür benutzen Trenn- bzw. Eingangsübertragern ist jedoch - wie Bild 5 ebenfalls zeigt - durch Einschaltung eines Kondensators mit genügend großer Kapazität dafür Sorge zu tragen, daß die Speise-Gleichspannung nicht über dessen Primärwicklung fließt.

Aber auch transistorisierte Nf-Kondensatormikrofone benötigen zu ihrem Anschluß und Betrieb kein vieladriges, abgeschirmtes Kabel mehr. Vor nicht allzu langer Zeit wurde durch die sogenannte „Phantom-Schaltung" auch bei diesen die Möglichkeit geschaffen, für die Mikrofonspeisung und den Modulationsanschluß mit einem zweiadrigen abgeschirmten Kabel auszukommen. Hierbei übernimmt der Schirm gleichzeitig die Funktion des Rückleiters.

Vor- und Nachteile wissen und abwägen

Die Ausführungen über die Wirkungsweise von Kondensatormikrofonen in der 6. und 7. Folge dieser Artikelreihe lassen erkennen, daß sowohl Nf- als auch Hf-Kondensatormikrofone Vor- und Nachteile aufweisen, die sich etwa die Waage halten. Die durchweg sicher nicht leichte Entscheidung, wann sich welche Kondensator-Mikrofonart besser für eine bestimmte Aufgabe eignet, kann daher nur auf Grund der jeweiligen Betriebsgegebenheiten gefällt werden.

Schlußwort

Der Erfolg und damit die Freude bei der Aufnahme oder Übertragung von Sprache, Musik und Geräuschen ist nicht zuletzt von der jeweils richtigen Auswahl des hierfür geeigneten Mikrofons und seiner technisch sachgerechten Nutzung abhängig.

Diese wird zweifellos erleichtert, wenn man neben etwas praktischer Erfahrung auch über eine gewisse Grundkenntnis der Materie verfügt. Dazu gehört neben dem Wissen über die möglichen Stecker- und Kabelbelegungen auch die Kenntnis um die jeweiligen Anpassungsbedingungen der nieder-, mittel- und hochohmigen Mikrofone.

Selbst das genaueste Mikrofon-Datenblatt ist ziemlich wertlos, wenn man die Deutung der darin enthaltenen Fachausdrücke und/oder der übertragungstechnischen Werte gar nicht oder nur unzureichend kennt. Ebenso kann das Wissen um den Aufbau, den Feld-Leerlauf-Übertragungsfaktor, die Funktion und die Kriterien der fünf in der Elektro-Akustik üblichen Mikrofonarten (Tauchspulen-, Bändchen-, Kristall-, Nf- und Hf-Konden-satormikrofon) sowie das Zustandekommen ihrer Richtcharakteristiken von Nutzen sein.

In den insgesamt sieben Folgen dieser Artikelreihe wurde der Versuch gemacht, Ihnen über all diese Punkte die entsprechenden Informationen zu vermitteln.

Wenn Ihnen diese Artikelreihe ein wenig Freude bereitete, Sie bei der Vorauswahl eines für Ihre ganz persönlichen Verhältnisse besonders geeigneten Mikrofones beraten, dann und wann etwa auftretende Fragen beantworten oder Unklarheiten beseitigen konnte, wurde das gesteckte Ziel erreicht. Di.

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