1. Mikrofonit

Mikrofoni on sähköakustinen muunnin, joka muuntaa ilmanpaineen tai hiukkasnopeuden vaihtelun jännitteen tai sähkövirran vaihteluksi. Muunnos voidaan toteuttaa erilaisilla menetelmillä, mikä on yksi peruste mikrofonien luokittelulle. Huber (1988, 7-25) jakaa mikrofonityypit seuraavasti:

1.1 Dynaaminen mikrofoni

Dynaamisissa mikrofoneissa muunnos ilmanpaineesta jännitteeksi perustuu sähkömagneettiseen induktioon. Sähkömagneettisessa induktiossa magneettikentässä liikkuvaan johtimeen syntyy jännite. Suomenkielessä dynaamiseksi mikrofoniksi kutsutaan usein mikrofonia, jossa kela liikkuu kestomagneetin muodostamassa magneettikentässä (engl. moving-coil microphone). Kuvaavampaa olisi käyttää kyseisestä mikrofonityypistä nimeä äänikelamikrofoni, koska kappaleessa 2.1.1 esiteltävä nauhamikrofoni toimii myös sähködynaamisella periaatteella.

Äänikelamikrofonin peruskomponentti on värähtelevä kalvo, joka on tehty esimerkiksi ohuesta Mylar-muovista (ks. kuva 1). Kalvoon on liitetty kela, joka muodostuu useasta kierroksesta metallilankaa. Rakennetta, johon kalvo ripustetaan, kutsutaan kapseliksi. Kapseliin sijoitettu kestomagneetti synnyttää kelan ympärille magneettikentän. Ääni liikuttaa kalvoa, jolloin kalvoon liitetty kela liikkuu magneettikentässä. Liikkeestä johtuen syntyy äänenpaineen vaihtelua seuraava jännite.

Kuva 1. Dynaamisen mikrofonin rakenne.

Johtimeen (kelaan) indusoituva jännite on riippuvainen johtimen pituudesta, magneettikentän voimakkuudesta ja johtimen nopeudesta magneettikentässä. Mitä nopeammin kela liikkuu magneettikentässä sitä suurempi jännite siihen indusoituu. Äänikelamikrofoneissa käytetään mekaanista vaimennusta (esim. erillinen vaimennusrengas), jotta kalvon ja puhekelan liikkeen nopeus olisi mahdollisimman yhtenäinen eri taajuuksilla. Myös muuttamalla kapselin akustisia ominaisuuksia (aukot, ilmakammiot) luodaan resonansseja, jotka tasaavat mikrofonin taajuusvastetta. (Huber 1988, 8-9.) Ensimmäiset kaupalliset hyvälaatuiset äänikelamikrofonit esiteltiin 1920-luvun lopussa (Olson 1977, 678).

1.1.1 Nauhamikrofoni

Kuten edellä mainittiin, käytetään myös nauhamikrofonissa hyväksi sähkömagneettista induktiota. Ääni liikuttaa voimakkaaseen magneettikenttään ripustettua ohutta, mahdollisesti "rypytettyä", metallista nauhaa (ks. kuva 2). Metallinen nauha on siis magneettikentässä liikkuva johdin, johon syntyy jännite.

Nauhamikrofonien elementti saattaa olla mekaanisesti erittäin herkkä. Streicher ja Dooley (1997, 8) varoittavat voimakkaiden ilmavirtojen ja jännitteiden ohjaamisesta nauhamikrofoniin. Tietyissä malleissa puhaltaminen suoraan nauhaelementtiin saattaa vääntää elementtiä siten, että mikrofoni ei toimi enää suunnitellulla tavalla. Ulkona äänitettäessä tuuli saattaa aiheuttaa elementin rikkoutumisen. Nauhamikrofonit saattavat myös hajota, jos niihin syöttää kondensaattorimikrofonien tarvitseman phantom-jännitteen, koska nauhaelementti voi toimia tällöin kuin sulake ja palaa poikki. Jännitteen vaikutuksesta myös ulostulomuuntaja saattaa magnetoitua, jolloin mikrofonin ominaisuudet saattavat heiketä pysyvästi.

Kuva 2. a) Nauhamikrofonin rakenne. b) Nauhaelementti sivusta kuvattuna.

1.2 Kondensaattorimikrofoni

Kondensaattori on elektroniikan komponentti, joka varastoi sähkövarauksia. Kondensaattori koostuu kahdesta metallilevystä, joiden välissä on sähköä eristävää materiaalia (esimerkiksi ilmaa). Kondensaattorimikrofoneissa toisen kondensaattorilevyn muodostaa kalvo, jonka ääni saa värähtelemään (ks. kuva 3). Kalvo on usein muovia (esim. mylar), joka on päällystetty metallilla (alumiini, kulta, nikkeli) sähkönjohtavuuden aikaansaamiseksi. Kondensaattorin toisen levyn muodostaa kalvon lähellä oleva takalevy. Jotta kondensaattori toimisi, on kondensaattorien levyihin kytkettävä jännite (ns. polarisaatiojännite).

Kuva 3. Kondensaattorimikrofonin rakenne.

Ääni liikuttaa kalvoa, jolloin kalvon ja takalevyn välinen etäisyys muuttuu. Etäisyyden muuttuessa myös kalvon ja takalevyn muodostaman kondensaattorin kapasitanssi muuttuu. Kondensaattorin levyjen välillä oleva jännite muuttuu samassa suhteessa.

Kondensaattorimikrofonin tuottama signaali on tasoltaan pieni, joten kondensaattorin läheisyyteen on sijoitettava esivahvistin. Jos esivahvistin on toteutettu putkitransistoreilla, saatetaan mikrofonista käyttää termiä putkikondensaattorimikrofoni tai lyhyemmin putkimikrofoni. Kondensaattorimikrofoni tarvitsee siis jännitteen sekä kondensaattoria että esivahvistinta varten. Yleensä tämä ns. phantomsyöttö (suom. keinojohtosyöttö) löytyy äänipöydästä, mutta on myös mahdollista käyttää erillistä virtalähdettä.

Ensimmäiset kondensaattorimikrofonit kehitettiin jo 1910-luvulla mittauskäyttöön. 1920-luvulla kondensaattorimikrofoneja alettiin käyttää radiolähetyksissä ja sähköisessä äänentallennuksessa. (Olson 1977, 677.) Nykyään kondensaattorimikrofoni on käytännössä yleisin studiossa käytetty mikrofonityyppi. Kondensaattorimikrofoneilla äänitetään usein ihmisääntä ja useimpia akustisia instrumentteja. kondensaattorimikrofonien kalvojen koko vaihtelee, millä voi olla merkitystä äänenväriin. Äänityskäytössä puhutaan pieni- ja suurikalvoisista kondensaattorimikrofoneista.

1.2.1 Elektreettimikrofoni

Elektreettimikrofoni toimii samalla periaatteella kuin kondensaattorimikrofoni. Elektreettimikrofonissa ei käytetä erillistä polarisaatiojännitettä, koska mikrofonin kalvo on varattu pysyvästi. Elektreettimikrofoneissa on kuitenkin kondensaattorimikrofonien tapaan etuvahvistin, joka tarvitsee toimiakseen jännitteen. Jännite voi kuitenkin olla pienempi kuin standardoitu phantom-jännite. Useissa elektreettimikrofoneissa jännite saadaan paristosta.

Elektreettimikrofoneja voidaan valmistaa edullisesti hyvin pienessä mittakaavassa. Mikrofoneja käytetäänkin esimerkiksi kuulolaitteissa ja matkapuhelimissa. Pienestä koostaan huolimatta elektreettimikrofonit voivat olla erittäin hyvälaatuisia. Elektreettimikrofoneja valmistetaan myös erityisesti äänityskäyttöön.

1.3 Mikrofonien suuntakuviot

Eräs mikrofonien tärkeä ominaisuus on suuntaavuus. Eri suunnista saapuvat voimakkuudeltaan samantasoiset äänet eivät välttämättä muunnu samantasoisiksi sähköisiksi signaaleiksi, jolloin mikrofoni on suuntaherkkä. Suuntaominaisuus on usein myös taajuusriippuvainen. Jos mikrofoni on esimerkiksi suurikokoinen, saattaa äänen taipuminen (difraktio) aiheuttaa korostumia yli 2000Hz:n taajuuksille. Mikrofonin suuntaavuudesta voidaan piirtää polaarikoordinaatistoon kuva, jota kutsutaan mikrofonin suuntakuvioksi. Yleisimpiä suuntakuvioita ovat pallo, kahdeksikko ja hertta (ks. kuva 4).

Kuva 4. Erilaisia suuntakuvioita. a) Pallo. b) Kahdeksikko. c) Hertta.

Nauhamikrofonin suuntakuvio on perusmuodossaan kahdeksikko, mutta suuntakuviota voidaan säädellä esimerkiksi nauhaelementtiin kytketyllä eriasteisesti suljetulla akustisella putkella. Nauhaelementin liike perustuu elementin etu- ja takapuolella vaikuttavien paineiden erotukseen, joten sivulta tuleva ääni ei vaikuta kalvoon (ks. kuva 5). Koska kalvo on erittäin ohut ja täten kalvon eri puolilla vaikuttavien osapainepisteiden välimatka on pieni verrattuna äänen aallonpituuteen, vastaa paine-ero ilman hiukkasnopeutta. Tällaisella periaatteella toimivia mikrofoneja kutsutaan yleisesti painegradientti- tai nopeusmikrofoniksi. (Olson 1977, 678-679.) Ilman hiukkasnopeus riippuu aallonpituudesta siten, että nauhaelementtiin vaikuttava voima kasvaa 6 dB:tä oktaavilla. Nauhaelementin infraäänitaajudella sijaitseva ominaisresonanssi kuitenkin kompensoi taajuusvasteen suhteellisen tasaiseksi. (Huber 1988, 8-9.)

Kuva 5. Vapaaseen kalvoon ei vaikuta sivulta tuleva ääni, koska liikuttavan voiman synnyttävää paine-eroa ei ole.

Dynaaminen mikrofoni suljetulla kapselilla on suuntakuvioltaan pallo, koska kalvo värähtelee paine-eron vaikutuksesta ja kapselin sisällä on vakio paine (ks. kuva 6). Tällaisella periaatteella toimivia mikrofoneja kutsutaan painemikrofoneiksi (engl. pressure microphone).

Kuva 6. Suljettu kapseli on yhtä herkkä eri suunnnista saapuville äänille, koska kapselin sisällä on vakio paine. a) Kalvo kohti äänen tulosuuntaa b) Kalvo 90 astetta äänen tulosuunnasta.

Jos suljetun kapselin takaseinä poistetaan kokonaan, muuttuu mikrofonin suuntakuvio kahdeksikoksi, koska sivulta tulevat äänet eivät enää saa kalvoa värähtelemään (painegradientti). Herttakuvioinen mikrofoni voidaan valmistaa suunnittelemalla mikrofonin kapseliin kalvon takapuolelle johtava signaalia viivästyttävä kanava (ks. kuva 7). Oikealla suunnittelulla suoraan takaa tuleva ääni viivästyy "labyrintissä" niin paljon, että se on samassa vaiheessa kalvon etupuolelle kiertäneen äänen kanssa. Koska paine-eroa ei tällöin synny, ei kalvokaan värähtele.

Kuva 7. Takaapäin saapuva ääni kiertää mikrofonin kalvon etu- ja takapuolelle saman vaiheisena, jolloin kalvon liikkeen aiheuttava paine-ero on nolla.

Eräs tapa muodostaa suuntaavia kondensaattorimikrofoneja, on rakentaa kondensaattorin takalevyn molemmille puolille kalvot (ns. Braunmuhl-Weber - rakenne). Toinen kalvoista suunnataan äänilähdettä kohti. Rei'itetyn takalevyn lävistäessään voidaan ääni viivästyttää verrattuna kapselin ulkokautta takakalvolle kiertäneeseen ääneen. Jos ääni on takakalvon molemmin puolin samassa vaiheessa, ei takakalvo värähtele. Jos äänilähteen vastakkaisesta suunnasta saapuu ääni, ei etukalvo puolestaan värähtele saman periaatteen mukaisesti. Mikrofoni koostuu täten kahdesta herttakuvioisesta komponentista, jotka sähköisesti yhdistettynä muodostavat pallon.

Herttakuvio saadaan täten aikaiseksi irroittamalla toinen kalvo virtapiiristä (esim. Neumann U 47). Portaattomasti vaihtuva suuntakuvio voidaan toteuttaa käyttämällä toisessa kalvossa vaihtuvaa polarisaatiojännitettä. Tällöin myös kahdeksikko on mahdollinen suuntakuvio, joskin toteutus on vaikeaa, koska yhteinen takalevy haittaa kalvojen tarkkaa optimointia (esim. Neumann M 49). Kalvot voidaan optimoida paremmin, jos molemmat kalvot varustetaan omalla takalevyllä (esim. Neumann U 67).

1.4 Mikrofonien ominaisuuksia kuvaavia käsitteitä

Useiden mikrofonivalmistajien mainoksissa esitetyt taajuusvasteet kuvaavat yleensä mikrofonin ulostulosta mitattujen taajuuksien käyttäytymistä suuntakuvion pääakselin suunnassa. On myös tarkeä tietää, millainen taajuusvaste on muissa suunnissa. Mikrofoni saattaa "värittää" vuotavia pääakselin sivusta saapuvia ääniä, jos taajuusvaste muuttuu huomattavasti suunnan funktiona.

Kuva 7. Neumann TLM103:en taajuusvaste.

Painegradienttimikrofoneihin liittyy ns. lähiäänivaikutus (engl. proximity effect): Jos mikrofonin sijoittaa liian lähelle äänilähdettä, korostuvat matalat taajuudet voimakkaasti. Kuten edellä mainittiin, aiheutuu vapaan kalvon liike paine-erosta kalvon etu- ja takapuolella. Matalien taajuuksien (siis pidempien aallonpituuksien) amplitudit ehtivät muuttua vähemmän matkalla kalvon etupuolelta takapuolelle. Kalvon liikkeen aiheuttava paine-ero kasvaa siis taajuuden kasvaessa eli kalvon liike on yhä nopeampaa ja indusoituva jännite on suurempi. Tätä vasteen taajuusriippuvaista kasvamista on kompensoitava sähköisesti tai akustisesti (korostettava matalia taajuuksia), jotta mikrofonin lopullinen taajuusvaste olisi mahdollisimman tasainen. Lähellä äänilähdettä myös taajuudesta riippumaton amplitudin pieneneminen etäisyyden funktiona on merkittävä tekijä paine-eron muodostumisessa kalvon vastakkaisille puolille. Lähietäisyydellä kalvon luonnollinen taajuusvaste on siis tasainen, mutta edellä mainittu kompensointi aiheuttaa matalien taajuuksien korostumisen.

Transienttivasteella halutaan esittää, kuinka nopeasti mikrofonin kalvo reagoi ääneen. Transienttivaste on siis aikatason esitys. Erot transienttivasteessa ovat eräs merkittävä syy mikrofonien erilaiseen äänenväriin. Transienttivasteeseen vaikuttaa eniten mikrofonin kalvon massa. Herkkyydellä tarkoitetaan mikrofonin muodostaman jännitteen suuruutta verrattuna äänipaineeseen. Mitä herkempi mikrofoni, sitä vähemmän on signaalia vahvistettava äänitettäessä.

Usein ilmoitetaan myös suurin äänipainetaso (dB), jonka mikrofoni muuntaa jännitteeksi ilman säröytymistä. Dynaaminen mikrofoni kestää yleensä hyvin suuria äänipaineita (esim. 140dB). Myös kondensaattorimikrofonin kapseli kestää suuria äänipaineita, mutta esivahvistin saattaa säröyttää signaalia. Mikrofonien dynamiikka on usein varsin laaja, mutta esimerkiksi lyömösoittimia äänitettäessä kannattaa olla tarkkana.

Lähteet

Huber, D. M. 1988. Microphone Manual - Design and Application. Howard W. Sams & Company. ISBN 0-672-22598-0

Olson, H. 1977. Microphones for Recording. Journal of The Audio Engineering Society, vol. 25, no. 10/11.

Streicher, R. & Dooley, W. 1997. Coles 4038 ribbon microphone user's guide. Audio Engineering Associates. Pasadena, California. http://www.wesdooley.com/prods/4038prod.htm l