Mikrofon

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Als Mikrofon bezeichnet man einen Sensor im Schallfeld, der akustische Schwingungen im üblichen Medium Luft in entsprechende elektrische Spannungs-Signale wandelt. Umgangssprachlich wird das Gerät auch Mikro oder Mic genannt.

In der gängigen Bauform folgt eine dünne, elastisch gelagerte Membran den Druckschwankungen des Schalls. Sie bildet durch ihre Bewegung die zeitliche Verteilung des Wechseldrucks nach. Ein Wandler, mechanisch oder elektrisch mit der Membran gekoppelt, generiert daraus eine der Membranbewegung entsprechende Wechselspannung.

Das Wandlerprinzip entscheidet vor allem über Qualitäten des elektrischen Signals: Signalrauschen, Impulstreue, Klirrfaktor. Die meist verbreiteten Wandler arbeiten nach Prinzipien des Elektretmikrofons, des Dynamischen Mikrofons und des Kondensatormikrofons.

Von der akustischen Bauform des Mikrofons abhängig folgt die Wandlung dem Schalldruck (Druckmikrofon, ungerichtetes Mikrofon) oder dem Schalldruckgradienten (Druckgradientenmikrofon, gerichtetes Mikrofon). Die richtungsabhängige Empfindlichkeit, die Richtcharakteristik, wird im Polardiagramm dargestellt.

Den Einsatz von Mikrofonen bezeichnet man als Mikrofonierung.

Inhaltsverzeichnis 1 Geschichte des Mikrofons 2 Richtcharakteristik 3 Akustische Bauformen 3.1 Druckmikrofon 3.2 Grenzflächenmikrofon 3.3 Druckgradientenmikrofon 3.4 Richtrohrmikrofon 3.5 Anmerkungen 4 Wandlerprinzipien 4.1 Dynamisches Mikrofon 4.1.1 Tauchspulenmikrofon 4.1.2 Bändchenmikrofon 4.2 Kondensatormikrofon 4.2.1 Phantomspeisung 4.3 Elektret- Kondensatormikrofon 4.4 Kohlemikrofon 5 Signalverarbeitung 5.1 Kenngrößen 5.2 Anschlussnormen 6 Anwendung 6.1 Anwendungsbezogene Bauformen 6.2 Stereomikrofonierung 7 Siehe auch 8 Quellen 9 Literatur 10 Weblinks

[Bearbeiten] Geschichte des Mikrofons

Die Entwicklung des Mikrofons ging Hand in Hand mit der Entwicklung des Telefons.

Im Jahre 1863 präsentierte Philipp Reis vor der „Physikalischen Gesellschaft“ einen Schallwandler: Sein Telefon benutzte zur Schallwandlung eine Membran aus Schweinsdünndarm, die über einen Platinkontakt ein einfaches Ein/Aus-Signal generierte (Kontaktwandler, Prinzip Wackelkontakt). Zur kommerziellen Nutzung war Reis' Erfindung allerdings nicht geeignet.

Die Erkenntnis, dass Kohlekörner die Schwingung der Membran besser als ein einfacher Kontakt in elektrische Impulse umsetzen können, führte Ende des 19. Jahrhunderts zur Entwicklung des Kohlemikrofons. Als Erfinder des Kohlemikrofons gilt David Edward Hughes, der seine Entwicklung erstmals am 9. Mai 1878 in der Königlichen Akademie in London öffentlich vorstellte. Dem waren Arbeiten von Edison und Berliner vorangegangen. Noch im gleichen Jahr verbesserte der Engländer Henry Hunnings das Mikrofon, indem er anstatt von Kohlestäben Kohlekörner verwendete. Das Kohlemikrofon in der Form, in der es dann im Grundprinzip die nächsten 100 Jahre nicht mehr verändert wurde, konstruierte Anthony C. White im Jahre 1890. Dieses „Kohlekörner-Mikrofon“ war als Studiomikrofon bis in die 1940er Jahre in Gebrauch; es gilt heute als erstes „richtiges“ Mikrofon und wurde erst vom Kondensatormikrofon verdrängt.

Der Vorläufer des elektrodynamischen Mikrofons ist der elektromagnetische Wandler; beide nutzen das Induktionsgesetz zur Schallwandlung. Der italienische Ingenieur Antonio Meucci entwickelte 1860 ein Telefon auf Basis des elektromagnetischen Wandlers und meldete es 1871 in den USA zum Patent an. Der heute meistens als Erfinder angegebene schottische Taubstummenlehrer Alexander Graham Bell meldete ein technisch gleichartiges Patent am 14. Februar 1876 an: Meuccis Patent war inzwischen verfallen, und es ist zu vermuten, dass Bell Meuccis Entwicklung kannte. Der amerikanische Physiker Elisha Gray entwickelte ebenfalls ein Telefon, war mit seiner Patentanmeldung aber zwei Stunden langsamer als Bell. Der Hannoveraner Emil Berliner verbesserte schließlich Bells Telefon mit einem neuartigen Mikrofon; seine Erfindung datiert vom 4. März 1877. Berliner arbeitete damals für die Bell Company (seit 1925 Bell Labs, später AT&T, heute Lucent Technologies).

Weitere Namen, die in der Entwicklung des Mikrofons auftauchen, sind: Thomas Alva Edison, David Edward Hughes, Sidney Shure, Fritz Sennheiser, Eugen Beyer, Georg Neumann.

Georg Neumann entwickelte im Jahr 1923 das Kohlemikrofon bedeutend weiter. Dadurch wurde die Klangqualität besonders bei tiefen Frequenzen stark verbessert. Der Durchbruch gelang ihm jedoch mit der Entwicklung des NF-Kondensatormikrofons (erstes funktionstüchtiges Serienmodell: CMV3, die „Neumann-Flasche“). Membran und Gegenelektrode bilden hierbei einen Kondensator, der auf eine Gleichspannung aufgeladen wird; durch die Membranbewegung ändert sich die Kondensatorkapazität, aus der das Signal gewonnen wird. Dieses Wandlerprinzip war der Schallaufzeichnungstechnik seiner Zeit weit voraus und ist auch heute noch Standard für Mikrofone höchster Qualität.

1928 gründete Georg Neumann zur Vermarktung seines Kondensatormikrofons eine Firma, die noch heute zu den führenden Qualitäts-Mikrofonherstellern gehört. Legendär ist das erste Mikrofon mit elektrisch umschaltbarer Richtcharakteristik, das Neumann U47 von 1949. Es zählt auch heute noch zu den begehrtesten und teuersten Mikrofonen: Ein funktionsfähiges, gut erhaltenes U47 wird für rund 5.000 Euro gehandelt.

1962 erfanden Gerhard M. Sessler und James Edward Maceo West das Elektret-Mikrofon, eine Variante des Kondensatormikrofons mit elektrisch geladenen Polymerfolien im Wandler, das heute mit 90% Marktanteil den häufigsten Mikrofontyp darstellt. Gerhard M. Sessler und Dietmar Hohm erfanden in 1980er Jahren an der TH Darmstadt auch das Silizium-Mikrofon.

Wichtige Hersteller von dynamischen Mikrofonen: Shure (SM58: weltweit meistverkauftes Bühnenmikrofon), Electrovoice, Sennheiser, Beyerdynamic (Spezialität: Bändchenmikrofone). Wichtige Hersteller von Kondensatormikrofonen: Neumann (gehört seit den 80er Jahren zur Fa. Sennheiser), Sennheiser (Spezialität: HF-Kondensatormikrofone), Microtech Gefell (ehemals Neumann Gefell im Vogtland), Schoeps, Danish Pro Audio (ehemals Brüel & Kjaer). Wichtige Hersteller von Messmikrofonen: Brüel & Kjaer, GRAS, Microtech Gefell, Norsonic.

[Bearbeiten] Richtcharakteristik

In der Mikrofontechnik beschreibt die Richtcharakteristik im Polardiagramm die Empfindlichkeit eines Mikrofons als Ausgangsspannung in Abhängigkeit vom Schalleinfallswinkel. Man kann dabei zwischen den Verhältnissen im Direktfeld und im Diffusfeld differenzieren^[1].

Der Richtcharakter hängt ab von der Bauform der Mikrofonkapsel und von äußeren Formelementen (z. B. Richtrohrmikrofon). Die Stärke der Richtwirkung beschreibt man mit dem Bündelungsgrad bzw. dem Bündelungsfaktor^[2]. Die Richtcharakteristik von Mikrofonen wird in reflexionsarmen Räumen im Direktfeld D gemessen.

Die Richtwirkung ist durch charakteristische Muster gekennzeichnet^{[3] [4]} :

Kugel (engl. Omnidirectional)	Breite Niere (engl. Subcardioid)	Niere (engl. Cardioid)	Hyperniere (engl. Hypercardioid)	Acht (engl. Figure Eight, Bidirectional)	Keule (engl. Directional)

Ein reines Druckmikrofon besitzt keine Richtwirkung, also eine kugelförmige Richtcharakteristik (omnidirektional). Ein Druckgradientenmikrofonin seiner reinen Form (z.B. Bändchenmikrofon) liefert als Richtcharakteristik eine Acht.^[5]. Als standardisierte Zwischenformen zwischen Kugel- und Achtercharakteristik gibt es „breite Niere“, „Niere“, „Superniere“ und „Hyperniere“ ^[6]. Die Richtcharakteristik „Keule“ wird durch das Prinzip des Interferenzrohres gewonnen (Richtrohrmikrofon).

Aufgrund von komplexeren Verhältnissen in der Praxis weicht der reale Richtcharakter, der zudem noch frequenzabhängig ist, mehr oder weniger von diesen theoretischen Mustern individuell ab ^[7].

[Bearbeiten] Akustische Bauformen

Die akustische Bauform ist entscheidend für die Richtcharakteristik und den Frequenzgang:

[Bearbeiten] Druckmikrofon

- vorwiegend ungerichtet, u.a. für Messzwecke -

Ein Druckmikrofon (besser: Mikrofon mit Druckcharakteristik) beschreibt eine Mikrofonbauform hinsichtlich ihrer akustischen Funktionsweise. Bei diesem ist die Mikrofonkapsel mit der Membran im Gegensatz zu der eines Druckgradientenmikrofons rückseitig geschlossen. In der Lehre wird dieses Mikrofon auch als Druckempfänger bezeichnet^[8].

Prinzip und Eigenschaften

Bei einem Druckmikrofon ist die schallaufnehmende Membran vor einem nach hinten geschlossenen Hohlraum angebracht. Dieser verhindert, dass der Schall die Membran umwandert und sich auch an deren Rückseite auswirkt. Einfallender Schall wird unabhängig von der Einfallsrichtung immer phasenrichtig wiedergegeben. Das Druckmikrofon reagiert ähnlich wie ein Barometer auf Luftdruckschwankungen. Daher kann ein solches Mikrofon auch bei sehr tiefen Frequenzen wirksam sein.

Für Druckmikrofone wird immer die Richtcharakteristik einer Kugel angegeben. Sämtliche Mikrofone mit anderen Richtcharakteristiken als die der Kugel, speziell solche mit umschaltbarer Charakteristik, werden mit der Bauform des Druckgradientenmikrofons realisiert. Druckmikrofone eignen sich sehr gut zur Aufnahme tiefer Frequenzen bis in den Infraschallbereich. In der Messtechnik werden daher üblicherweise Druckmikrofone verwendet.

[Bearbeiten] Grenzflächenmikrofon

Der Begriff Grenzflächenmikrofon, auch engl.: „boundary layer“ oder „pressure zone microphone“, bezeichnet eine Mikrofonbauform hinsichtlich ihrer akustischen Funktionsweise. Es stellt einen Sonderfall dar, weil hier der Mikrofonkörper konzeptioneller Teil der akustischen Bauform ist.

Der Mikrofonkörper ist eine Platte, auf der meist eine Druckmikrofonkapsel membranflächenbündig eingelassen ist. Seine Richtcharakteristik ergibt somit eine Halbkugel. Die Wandler sind üblicherweise in Kondensator- oder Elektretbauweise ausgeführt. Diese Bauart wurde entwickelt, um die vorteilhaften akustischen Eigenschaften auszunutzen, die an schallreflektierenden Flächen auftreten, ohne das Schallfeld selbst zu beeinträchtigen. Das Mikrofon wird auf eine große schallreflektierende Fläche, z. B. auf den Fußboden, gelegt. Es erhält so den maximalen Schalldruck ohne Überlagerungen von Raumschallanteilen, was zu einem ausgewogenen Frequenzgang und einem akustisch guten Raumeindruck führt:

• An schallharten Flächen treten keine störenden Reflexionen auf, da diese hier erst entstehen
• In Räumen werden deren Eigenresonanzen von diesem Mikrofon weniger aufgenommen; Durch die Platzierung des Mikrofons an einer Begrenzungsfläche entstehen keine klangfärbenden Kammfiltereffekte, wie sie innerhalb des Raums auftreten. Bei sich bewegenden Schallquellen ergeben sich keine Klangfarbenunterschiede.
• Raumsignale R sind gegenüber den Direktsignalen D um 3 dB gedämpft, was eine Bevorzugung des Direktschalls bedeutet
• Ebener Frequenzgang von Direktschall und Raumschall. Die Klangfarbe ändert sich weder mit der Entfernung noch mit der Schalleinfallsrichtung.
• Halbkugelförmige frequenzneutrale Richtwirkung.
• Ein 6-dB-Schalldruckgewinn an der Grenzfläche bewirkt eine Verbesserung des Störabstands gegenüber vergleichbaren Kugel-Mikrofonkapseln, die frei aufgestellt sind
• Aufgrund der Positionierung beeinflusst der Mikrofonkörper das Schallfeld nicht.

Oft wird die spezielle Raumsignal-Dämpfung in Kauf genommen und Grenzflächenmikrofone zur Aufnahme gerade von Raumsignalen eingesetzt. Das hat den Grund, dass Räume damit besser „klingen“, da bei Grenzflächenmikrofonen Eigenresonanzen und Kammfiltereffekte weniger zum Tragen kommen.

[Bearbeiten] Druckgradientenmikrofon

- gerichtet, am meisten verbreitet-

Ein Druckgradientenmikrofon (besser: Mikrofon mit Druckgradientencharakteristik) beschreibt eine Mikrofonbauform hinsichtlich ihrer akustischen Funktionsweise. Die Mikrofonkapsel mit der Membran ist dabei im Gegensatz zu einem Druckmikrofon rückseitig offen- sie ist für den Schall von allen Seiten zugänglich. In der Lehre wird diese Mikrofonbauform auch als Druckgradientenempfänger bezeichnet.

Prinzip und Eigenschaften

Da der Schall auch die Rückseite der Membran erreicht, folgt diese nicht dem absoluten Schalldruck, wie es beim Druckempfänger der Fall ist, sondern dem Druckgradienten, also der aus dem akustischen Umweg zwischen Vorder- und Rückseite resultierenden Druckdifferenz.

Diese Differenz ergibt sich, da der Schall um die Membran herumwandern muss, um sich auch auf ihrer Rückseite auszuwirken. Die dazu benötigte Zeit Δt resultiert in einer „Druckdifferenz“ (einem Druckgradienten).

Δp = p_vorn - p_hinten

Bei gegebenem Δt ist der Druckgradient um so höher, je schneller der Schalldruckwechsel erfolgt. Zu tiefen Frequenzen hin sinkt der resultierende Druckgradient Δp entsprechend ab. Siehe: akustischer Kurzschluss. Trifft ein Signal genau von der Seite (90°) auf die Membran, so ergibt sich keine Druckdifferenz und somit auch keine Membranbewegung. Bei Beschallung der Membranrückseite ist die Phasenlage des resultierenden Mikrofonsignals gedreht ^{[9] [10]}.

Die Richtcharakteristik ist in der beschriebenen Grundbauweise die einer Acht. Durch die Symmetrie der Mikrofonkapsel und ihre Aufhängung im Mikrofon lassen sich auch andere Richtcharakteristiken realisieren. Die Hersteller arbeiten mit akustischen Laufzeitgliedern (akustische „Umwege“ zwischen Membranvorder- und Rückseite) und mit nach hinten akustisch halb abgeschlossenen Systemen. So ergeben sich Richtcharakteristiken, die zwischen Kugel und Acht liegen, wie die Breite Niere, die Niere, die Superniere und die Hyperniere.

Sämtliche Richtcharakteristiken außer der Kugel (Druckmikrofon) können nur mit Druckgradientenmikrofonen realisiert werden. Die meisten im Handel erhältlichen Mikrofone haben die akustische Bauform eines Druckgradientenmikrofons.

[Bearbeiten] Richtrohrmikrofon

Der Begriff Richtrohrmikrofon (engl. shotgun mic) oder auch Interferenzmikrofon bezeichnet eine Mikrofonbauform hinsichtlich ihrer akustischen Funktionsweise. Es handelt sich um eine Sonderbauform, da hier der Mikrofonkörper durch ein vorgebautes Interferenzrohr konzeptioneller Teil der akustischen Bauform ist.
Ein Richtrohrmikrofon besitzt eine ausgeprägte Keulencharakteristik, die zustande kommt, indem einem Druckgradientenmikrofon ein mit seitlichen Schlitzen oder Bohrungen versehenes, nach vorn offenes Interferenzrohr vorgebaut wird. Dieses bewirkt eine deutliche Verstärkung der Richtwirkung im Bereich mittlerer und hoher Frequenzen. Richtrohrmikrofone eignen sich dadurch vor allem für Situationen, in denen eine Mikrofonierung aus nächster Nähe (meistens aus optischen Gründen) nicht in Frage kommt:

• Stützmikrofonierung auf Theaterbühnen
• Kino-, Film- und Fernsehaufnahmen („Tonangel“)
• an der Kamera befestigtes Kameramikrofon

Üblich sind Wandlertechniken nach dem Prinzip des Kondensator- oder Elektretmikrofons.

[Bearbeiten] Anmerkungen

Im Gegensatz zu Lautsprechern spielt die Membrangröße bei Mikrofonen bezüglich deren Tiefenwiedergabe keine Rolle, da Mikrofone wie die menschlichen Ohren lediglich als Sensoren wirken, und nicht wie Lautsprecher Luft im tieffrequenten Bereich zu verdichten haben.

[Bearbeiten] Wandlerprinzipien

Die eingesetzte Wandlertechnik entscheidet letztendlich über die Signalqualität: Rauschen, Impulstreue, Klirrfaktor:

[Bearbeiten] Dynamisches Mikrofon

Das Dynamische Mikrofon ist ein elektroakustischer Wandler (Sensor), der Schallereignisse als Schalldruckimpulse nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion in äquivalente elektrische Spannungsimpulse wandelt. Üblich ist heute das Tauchspulenmikrofon, eine Bauform, die an einen Lautsprecher erinnert. Eine andere Bauform des dynamischen Wandlers ist das Bändchenmikrofon^[11].
Technisch betrachtet führt beim Dynamischen Mikrofon die Geschwindigkeit der Membranbewegung zum Signal, nicht die momentane Auslenkung, daher bezeichnet man es auch als Geschwindigkeitsempfänger. Der Haupteinsatzbereich von Dynamischen Mikrofonen ist der Live-Bereich.

[Bearbeiten] Tauchspulenmikrofon

Tauchspulenmikrofon
1.	eintreffender Schall
2.	Membran
3.	Spule
4.	Permanentmagnet
5.	resultierendes Signal

Das Tauchspulenmikrofon (auch Tauchspulmikrofon) ist ein elektroakustischer Wandler, der nach dem elektroinduktiven Prinzip des Dynamischen Mikrofons arbeitet. Es ist sowohl die Bauform des Druckgradientenmikrofons als auch die des Druckmikrofons üblich.

Der Begriff bezieht sich auf die technische Anordnung der Bauelemente des Wandlers: Bei dem Tauchspulenmikrofon ist die Membran fest mit einer Magnet- Spule verbunden, die durch die Membranbewegung in ein statisches dauermagnetisches Feld „eintaucht“. Siehe auch: Tauchspule. Die relative Bewegung von Spule und Magnetfeld erzeugt per Induktion die Signalspannung. Diese ist proportional zur Membrangeschwindigkeit.

Tauchspulenmikrofone haben ein träges Einschwingverhalten, was bei höheren Ansprüchen negativ bewertet wird, aber für bestimmte Zwecke dennoch erwünscht sein kann. Dynamische Mikrofone haben ein nicht so hohes Übertragungsspektrum wie Kondensatormikrofone und sind eher für Nahaufnahmen geeignet.

Die Vorteile dieses Mikrofontyps zeigen sich darin, dass sie in der Regel gegenüber mechanischen Belastungen recht robust sind und hohe Schalldrücke vertragen − Eigenschaften, die im Livebetrieb gefragt sind. Auch benötigen sie keine Spannungsversorgung, was im mobilen Betrieb von Vorteil ist. Zudem gelten sie als relativ preisgünstig.

[Bearbeiten] Bändchenmikrofon

Ein Bändchenmikrofon (engl. Ribbon Microphone) ist ein elektroakustischer Wandler, der nach dem Prinzip der Induktion arbeitet. Bei diesem Mikrofontyp sind Wandlerprinzip und akustische Bauform eng verknüpft.

Die Membran des Bändchenmikrofons ist ein zickzack-gefalteter Aluminiumstreifen von 2 bis 4 mm Breite und ein paar Zentimeter Länge. Der Streifen ist nur wenige Mikrometer dick. Bei Anregung durch eintreffenden Schall induziert die Bewegung im Magnetfeld eine der Bewegungsgeschwindigkeit entsprechende Spannung, die an den Enden der Aluminiumstreifen abgegriffen werden kann.
Bändchenmikrofone besitzen einen im Arbeitsbereich nahezu linearen Frequenzgang; ihre äußerst leichte Membran verleiht ihnen ein gutes Impulsverhalten. Prinzipbedingt kann die Membran von beiden Seiten vom Schall erreicht werden. Ihre akustische Bauweise ist daher die eines Druckgradientenmikrofons. Daraus folgt auch die Richtcharakteristik einer Acht. Sie sind nicht für die Aufnahme tiefster Frequenzen geeignet.

[Bearbeiten] Kondensatormikrofon

Kondensatormikrofon
1.	eintreffender Schall
2.	Membran
3.	Gegenelektrode
4.	Spannungsversorgung
5.	Hochpassfilter
6.	resultierendes Signal

Das Kondensatormikrofon (auch Condenser) ist ein elektroakustischer Wandler, der Schalldruckimpulse in entsprechende elektrische Spannungsimpulse wandelt. Er arbeitet nach dem physikalischen Prinzip des Kondensators. Da die Membranauslenkung und nicht die Membrangeschwindigkeit zum Signal führt, ist das Kondensatormikrofon technisch betrachtet ein Elongationsempfänger.

Kondensatormikrofone kommen in den verschiedensten Erscheinungsformen vor, da mit diesem Begriff nur das Wandlerprinzip bezeichnet wird. Der Begriff hat sich aber im Umgang als Mikrofon-Klasse etabliert, da klangliche Eigenschaften mit dem Prinzip der Wandlung eng verknüpft sind.

Prinzip

Beim Kondensatormikrofon ist eine wenige tausendstel Millimeter dicke, elektrisch leitfähige Membran dicht vor einer - aus akustischen Gründen gelochten - Metallplatte elektrisch isoliert angebracht. Sobald eine elektrische Spannung angelegt wird (Phantomspeisung), entsteht zwischen der Membran und der Platte ein Potenzialgefälle. Technisch betrachtet, entspricht diese Anordnung einem Plattenkondensator, der eine messbare elektrische Kapazität besitzt. Eintreffender Schall bringt die Membran zum Schwingen, wodurch sich der Abstand d der beiden Kondensatorfolien und damit auch die Kapazität des Kondensators verändert. Diese Kapazitätsschwankungen führen zu Spannungsschwankungen und resultieren in einem elektrischen AM-Signal. Dieses System wird als Niederfrequenz-(NF-)Kondensatormikrofon bezeichnet. Bei einer alternativen Bauart, dem HF-(Hochfrequenz-)Kondensatormikrofon, wird die variable Kapazität zur Verstimmung eines HF-Schwingkreises benutzt. Dabei entsteht ein FM-Signal, das noch im Mikrofon demoduliert wird.

Da die Membran eine sehr geringe Masse besitzt, folgt sie Luftschwingungen besonders präzise, was in einem guten Impulsverhalten dieses Mikrofontyps sowie in brillanten Höhen resultiert.

Kondensatorkapseln sind sowohl als Druckmikrofon wie auch als Druckgradientenmikrofon gebräuchlich. Manche Kondensatormikrofone haben eine umschaltbare Richtcharakteristik. Ermöglicht wird dies durch die Kombination zweier Druckgradientenmikrofone (Doppelgradientenmikrofon)^{[12] [13]}.

[Bearbeiten] Phantomspeisung

Um das Potentialgefälle zwischen den Kondensatorplatten zu erreichen, ist eine Spannungsquelle notwendig. Üblicherweise nutzt man die Phantomspeisung des Mikrofonvorverstärkers oder des Mischpults. Siehe auch: Symmetrische Signalübertragung.

[Bearbeiten] Elektret- Kondensatormikrofon

Ein weiterer Typ des Kondensatormikrofons, der den Effekt einer dauerhaft elektrostatischen Polarisierung durch eine Elektretfolie nutzt und keine Kondensatorvorspannung benötigt, ist das Elektretmikrofon. Zwischen den Kondensatorplatten, also auf der Membran oder auf der Gegenelektrode, befindet sich eine Elektretfolie, in der die Membranvorspannung sozusagen „eingefroren“ ist. Der Impedanzwandler mit sehr hochohmigem Eingang befindet sich in der Mikrofonkapsel. Er wird fast immer mit einem Feldeffekttransistor (FET) realisiert, der einen Speisestrom von weniger als 1 Milliampere benötigt. Auch wenn man diese Elektronik hinter der Membran häufig als „Verstärker“ bezeichnet, so wird dort allein eine Impedanzwandlung (Stromverstärkung, im Beispiel knapp 1500-fach) vorgenommen und keine Spannungsverstärkung.

Elektretmikrofone sind mit 90 % Marktanteil die weltweit am häufigsten hergestellten und eingesetzten Mikrofone. Dank ihrer extrem kompakten Bauweise, des geringen Preises und der guten Signalqualität werden Elektretmikrofone in sehr großen Stückzahlen hergestellt. Sie finden sich in praktisch jedem modernen Sprachkommunikationsmittel (Headsets, Handys, Hörgerät, etc). Die Größe der Mikrofonkapsel liegt meistens zwischen einem Millimeter und einem Zentimeter. Der Frequenzgang kann bei guten Elektretmikrofonen als Druckempfänger (Mikrofon mit Kugelcharakteristik) von 20 Hz bis 20 kHz gehen.

[Bearbeiten] Kohlemikrofon

Als Kohlemikrofon wird ein elektroakustisches Wandlerprinzip bezeichnet, bei dem durch Schall erzeugte Druckschwankungen proportionale Änderungen des elektrischen Widerstandes an seinen Anschlüssen bewirken. Zur Wandlung dient dabei der druckabhängige Übergangswiderstand im durch die Membran komprimierten Kohlegranulat.

Einsatz

Kohlemikrofone wurden in großer Stückzahl in Telefonen eingesetzt. Man geht davon aus, dass durch die Erfindung des Kohlemikrofons die Entwicklung des Fernsprechwesens außerordentlich beschleunigt wurde. In der professionellen Tontechnik ist das Kohlemikrofon bereits in den 1920er und 1930er Jahren vom Kondensatormikrofon verdrängt worden ^[14]. In der Kommunikationstechnik dominiert heute das Elektretmikrofon den Markt.

[Bearbeiten] Signalverarbeitung

[Bearbeiten] Kenngrößen

Empfindlichkeit

Mikrofone wandeln Schalldruck in Wechselspannung um. Man misst ihre Empfindlichkeit meist in Millivolt pro Pascal (mV/Pa). Die Empfindlichkeit steigt etwa proportional mit der Membrangröße. So haben zum Beispiel kleine 1/4 Zoll Kapseln um 5 mV/Pa, 1/2 Zoll Kapseln bis 50 mV/Pa, 1 Zoll Kapseln kommen bis auf 100 mV/Pa.

Zusammenhang zu Lautheitsmaßen

Lautheit lässt sich nur mit Mikrofonen messen. Eine Kapsel mit 50 mV/Pa kann als Normativ der Lautheit gelten: zufällig gibt sie an der Hörschwelle oder Wahrnehmungsgrenze, die technisch als 0 dB (Dezibel) mit 20 µPa definiert ist, gerade 1µV ab. Entsprechend gibt sie an der Schmerzschwelle von 120 dB genau ein Volt ab (das sind sechs Zehnerpotenzen mehr). Ab 140 dB (10 Volt effektiv ~ 28 Volt Spitze-Spitze) wird die Messung von Schalldrücken dann problematisch. Hier benötigt man Vorverstärker mit großem Signalhub.

Rauschen

Je kleiner eine Kapsel ist, desto stärker versinkt sie aufgrund geringer Kennempfindlichkeit im Rauschen. Will man also Vögel in freier Natur aufnehmen, sollte man eher große Kapseln nutzen. Will man hingegen ein Mikrofon für die Disco haben, so kommen große Kapseln schnell zur Übersteuerung, hier empfehlen sich kleine Kapseln.

Impedanz

Während dynamische Mikrofone Impedanzen um 600 Ohm besitzen, ist in Elektretkapseln generell einen Feldeffekttransistor (FET) als Impedanzwandler integriert. Der FET wird an Abschlusswiderständen im Bereich zwischen 1 und 5 kOhm betrieben. Je hochohmiger der Ausgang des Mikrofons ist, desto stärker macht sich die Kabelkapazität der Anschlussleitung bemerkbar, die Brillanz lässt bei hohen Frequenzen zuerst nach.

Frequenzgang

Je kleiner die Membran ist, je leichter sie ist, desto weniger Eigenresonanzen besitzt sie im interessierenden Frequenzband. Und je weniger sie selbst in Resonanz gerät, desto weniger verzerrt sie den Frequenzgang, desto unverzerrter gibt sie den Klang wieder.

Klirrfaktor

Während der Frequenzgang von der Membran bestimmt wird, kommen nichtlineare Verzerrungen (Klirrfaktor) meist vom Vorverstärker. Transistoren im integrierter Vorverstärker verzerren das Signal geringfügig nichtlinear. Damit entstehen Oberwellen.

[Bearbeiten] Anschlussnormen

• Symmetrische Signalführung: Monosignal, drei Adern: Masse, positive Signalphase „Hot“, negative Signalphase „Cold“
• Unsymmetrische Signalführung: Monosignal, zwei Adern: Masse, Signalphase
• Unsymmetrische Signalführung: Stereosignal, drei Adern: Masse, Signalphase links, Signalphase rechts

Norm	XLR- Cannon- Stecker, 3-Pol + Gehäusemasse	NAB 6,35 mm Klinkenstecker, 3-Pol	NAB 3,5 mm Klinkenstecker, 3-pol	Groß- / Kleintuchelstecker, 3-pol + Gehäusemasse; auch: 5-pol
Anwendung	Monomikrofon, Studio und Bühne	Monomikrofon, Stereomikrofon, Homerecording	Stereomikrofon, Homerecording	Monomikrofon, alter Standard Ansteckmikrofone
Belegung	Pin1 = Masse Pin2 = Hot Pin3 = Cold Gehäuse = Schirmung	Tip = Hot / Links Ring = Cold / Rechts Ground = Masse, Schirmung	Tip = Links Ring = Rechts Ground = Masse	Pin1 = Hot Pin2 = Masse Pin3 = Cold
Kabel	dreiadrig, geschirmt	dreiadrig, evtl. geschirmt	dreiadrig, ungeschirmt	dreiadrig, geschirmt
andere Anwendungen	Stereosignale Linesignale digital audio (AES/EBU) Lautsprechersignale DMX (Lichttechnik)	Stereosignale Linesignale Lautsprechersignale Insertsignale (Tonstudio)	Kopfhörersignale Linesignale Remotesteuerung	Mikrofonsignale Lautsprechersignale Stereosignale Line IN/OUT

Diese Anschlussnormen sind heute am gängigsten. Ältere Mikrofone haben eventuell einen DIN- oder Tuchelstecker. Man kann sie dann umlöten oder einen Adapter bauen. Vereinzelt gibt es auch den „Klein-Tuchel“ − speziell bei kompakten Ansteckmikrofonen mit separatem Funksender.
Bei allen Mikrofonsteckern gilt: Der „Male“-Stecker gibt das Signal ab, der „Female“-Stecker nimmt das Signal an.

[Bearbeiten] Anwendung

Den Einsatz von Mikrofonen bezeichnet man als Mikrofonierung. Dabei wird je nach Anwendung nach technischen, klanglichen oder wirtschaftlichen Gesichtspunkten optimiert.

[Bearbeiten] Anwendungsbezogene Bauformen

Anwendungsbezogen können Mikrofone außerdem kategorisiert werden:

• Nach der Größe der Membran (Kleinmembran - Großmembran, Grenze 1 Zoll),
• Nach der Richtcharakteristik (siehe akustische Bauform).

• Nach der äußeren Bauform:
  • Handmikrofon,
  • Klemmmikrofon/ Ansteckmikrofon,
  • Lavaliermikrofon,
  • Durchsagemikrofon mit Sprechtaste, stationäre Verwendung mit Standfläche und „Schwanenhals“ oder als Handmikrofon für z.B. Sprechfunkgeräte.

• Sonderbauformen:
  • Lasermikrofon,
  • Unterwassermikrofon.

[Bearbeiten] Stereomikrofonierung

Zwei Mikrofone zusammen bilden ein Mikrofonsystem für Stereoaufnahmen, die damit einen ganz bestimmten Aufnahmebereich für die Hörereignisrichtung auf der vollen Stereo-Lautsprecherbasis einfangen. Mikrofone sollten innerhalb des Hallradius aufgestellt werden. Es gibt eine Reihe von Stereo- Mikrofonierungsverfahren, die auf psychoakustischen Effekten beruhen:

• Laufzeitstereofonie:
  • AB- Stereosystem

• Intensitätsstereofonie:
  • XY- Stereosystem
  • MS- Stereosystem
  • Blumlein- Stereosystem

• Äquivalenzstereofonie
  • ORTF- Stereosystem
  • NOS- Stereosystem
  • EBS- Stereosystem
  • Decca Tree- Stereosystem

• Binaurale Stereofonie:
  • Kunstkopf- Stereosystem
  • Trennkörper- Stereosystem, Trennkörper- AB

Surround

Eine Besonderheit im Kinobereich stellt die Raumklang-Mikrofonierung mit bis zu fünf Kanälen dar.

[Bearbeiten] Siehe auch

• Allgemein
  • Akustik | Stereofonie | Richtcharakteristik | Aufnahmebereich | Mikrofonierung
  • Schalldruck | Schalldruckpegel | Schallschnelle | Schallschnellepegel | Schallfeld | Schallfeldgröße | Empfindlichkeit (Technik)
  • Headset (Sprechgarnitur, Mikrofon-Kopfhörer) | Mikrofon-Windschutz

• Grenzflächenmikrofon
  • Stützmikrofon | Laufzeitstereofonie | Abstandsgesetz

• Druckmikrofon, Druckgradientenmikrofon
  • Nahbesprechungseffekt | Akustischer Kurzschluss

• Dynamisches Mikrofon
  • Induktionsgesetz | Induktion | Schnelle

• Kondensatormikrofon
  • Phantomspeisung | Übertragungsfaktor

[Bearbeiten] Quellen

[Bearbeiten] Literatur

• Thomas Görne: Mikrofone in Theorie und Praxis. Elektor-Verlag, Aachen, ISBN 3-928-05176-8
• Michael Dickreiter: Handbuch der Tonstudiotechnik. (1997), Saur-Verlag, 2 Bände, ISBN 3-598-11320-X
• Thomas Görne: Tontechnik. Hanser Fachbuchverag, Leipzig, ISBN 3-446-40198-9
• Gerhart Boré: Mikrofone. Georg Neumann GmbH, Firmenschrift.
• Andreas Ederhof, das Mikrofonbuch, Carstensen Verlag, München, ISBN 3-910-09828-2
• Norbert Pawera: Mikrofonpraxis. Tipps und Tricks für Bühne und Studio. PPV-Medien, Bergkirchen, ISBN 3-932-27554-3
• Anselm Rößler: Neumann – The Microphone Company. PPVMEDIEN, Bergkirchen, ISBN 3-932-27568-3

[Bearbeiten] Weblinks

• Mikrophone (Buch) von Gerhart Boré / Stephan Peus, Georg Neumann GmbH -PDF
• Mikrofon-Lautstärke: Umrechnung von Empfindlichkeit in dB re 1 V/Pa in Übertragungsfaktor in mV/Pa
• Historische Mikrofone, mit Klangbeispielen
• Schöne Fotos - Vintage Microphones
• Forum für Mikrofonaufnahme und Tonstudiotechnik
• Probleme mit Elektretmikrofonen - engl.
• Ehrung des Erfinders des Elektretmikrofons
• Alle Mikrofon-Richtcharakteristiken und weitere Parameter