Informations- und Kommunikationstechnik

Funktionsprinzip dynamischer Mikrofone

Mikrofone wandeln Schallereignisse erst in mechanische Energie und anschließend in elektrische Energie um. Im Medium Luft breitet sich der Schall durch Schwingen der Luftmoleküle aus. Dabei entstehenden Druckänderungen, die eine im Schallfeld eingebrachte, gespannte Membran in mechanische Schwingungen versetzt. Beim dynamischen Mikrofon ist diese Membran mit einem Spulenkörper verbunden, der dann in einem statischen Magnetfeld mitschwingt. Nach dem Induktionsgesetz wird an den Spulenanschlüssen eine vom Schalldruck abhängige Wechselspannung generiert. Mikrofone sind somit akustoelektrische Wandler.

Eine Induktionsspannung entsteht auch, wenn sich ein Permanentmagnet in einer feststehenden Spule bewegt. Für Mikrofone eignet sich dieses Bauprinzip nicht, da die zu bewegende Masse zu groß und folglich die Empfindlichkeit zu gering ist.

Das Induktionsgesetz in der allgemeiner Form ΔU = −B · l · Δv zeigt, dass die induzierte Wechselspannung ΔU direkt proportional zur Änderungsgeschwindigkeit Δv ist. Sie steht im direkten Zusammenhang mit den Druckänderungen, die von der Schallquelle ausgehen. Die Nutzspannung bei gleicher mechanischer Erregung ist höher, je größer die magnetische Flussdichte B des Magnetfelds ist und je mehr Windungen der Spule (n · l) im Magnetfeld bewegt werden.

Ein dynamisches Mikrofon mit einer im Magnetfeld bewegten Spule wird auch Tauchspulenmikrofon genannt. Dieser Mikrofontyp ist recht robust und als Handmikrofon auf einer Veranstaltungsbühne gut geeignet. Die eigentliche Mikrofonkapsel ist gedämpft gelagert. Sie ist damit gegen Übertragungen von Störgeräuschen durch Trittschall und dem normalen Handling weitgehend geschützt. Ein Tauchspulenmikrofon verträgt hohe Schalldrücke. Die Ausgangsimpedanz ist mit rund 200 Ω niederohmig und die Ausgangsspannung so hoch, dass zwischen Mikrofonkapsel und Mischpult kein Vorverstärker notwendig ist. Das Mikrofon benötigt keine eigene Spannungsversorgung.

Der folgende Flashfilm zeigt das Prinzip eines dynamischen Tauchspulenmikrofons. Es handelt sich um einen Druckempfänger, wo die Membran die Mikrofonkapsel quasi luftdicht verschließt. Die Schallwellen treffen nur von einer Seite auf die Membran auf und lenkt sie dem Druckverlauf entsprechend aus. Die Kapsel besitzt am Ende eine kleine Kapillaröffnung, die einen langsamen Druckausgleich ermöglicht, sodass auch im Inneren der äußere Luftdruck herrscht. Da die Membran nur auf Druckänderungen reagiert, arbeitet der Druckempfänger bis in den mittleren Frequenzbereich ungerichtet und weist Kugelcharakteristik auf. Beim Überfahren der Darstellung mit dem Mauszeiger werden die Bezeichnungen der einzelnen Baugruppen eingeblendet.

Tauchspulenmikrofone erzeugen bei konstantem Schalldruck eine zur Frequenz proportionale Ausgangsspannung. Die Impedanz der Kapsel ist nicht konstant, da sich der Blindwiderstand der Spule mit der Frequenz proportional ändert. Der Übertragungsbereich ist nicht so breitbandig wie bei einem Kondensatormikrofon und die Empfindlichkeit ist geringer. Zum einen muss der Schalldruck die Spulenmasse in Bewegung bringen und gegen die elektrische Arbeit der schwingenden Spule wirken. Das damit trägere Einschwingen wirkt sich auf das Impulsverhalten etwas dämpfend aus.

Die Trägheit der Schwingspule bewirkt, dass der hohe Frequenzbereich weniger gut übertragen wird, und verändert die Kugelcharakteristik des Druckempfängers zu höheren Frequenzen hin. Ist die Wellenlänge gleich oder kleiner dem Membrandurchmesser, desto mehr Schallwellen werden reflektiert. Treffen hohe Frequenzen von der Seite oder Rückseite auf, so üben sie geringeren Druck auf die Membran aus. Diese Effekte verringern die Ausgangsspannung des Mikrofons. Vor der Membran überlagern sich Direktschall und Reflexionen und erzeugen Druckstau, der bei gleicher Phasenlage die Ausgangsspannung erhöht und gegenphasig mindert.


Druckgradientenempfänger

Ist die Kapsel des dynamischen Mikrofons nicht geschlossen, gelangt der Schall beidseitig an die Membrane. Die Schallwellen treffen um eine kleine Laufzeit verzögert auf die Gegenseite der Membran. Betrachtet man für eine bestimmte Frequenz und Amplitude die Druckverhältnisse an der Membranvorderseite und Rückseite, so erkennt man, dass es einen Druckunterschied gibt. Er wird als Druckgradient bezeichnet und verursacht die Membranauslenkung in Richtung des geringeren Luftdrucks. Bei einem seitlich eintreffenden Schall kann kein Druckunterschied entstehen. Die Charakteristik eines Druckgradientenempfängers wird theoretisch die Form einer Acht haben. Die von vorne oder hinten eintreffenden Schallereignisse werden zur gleichen Ausgangsspannung gewandelt, seitlich eintreffender Schall wird gedämpft.

Bei konstanter Wegdifferenz, der Laufzeit, erzeugen höhere Frequenzen größere Druckgradienten und höhere Mikrofonspannungen. Der maximale Druckgradient entsteht, wenn die Laufzeit gleich der halben Wellenlänge ist. Mit zunehmender Frequenz nimmt der Druckgradient wieder ab. Er erreicht den Wert null, wenn Laufzeit und Wellenlänge einander gleich sind. Danach nehmen die Werte wieder zu. Von der Wegdifferenz abhängig kann sich dieser Vorgang periodisch wiederholen und erzeugt einen unerwünschten Kammfiltereffekt.

Der folgende Flashfilm stellt diese Zusammenhänge interaktiv dar. Die Wellenlängen werden mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen von 340 m/s in Luft berechnet. Mit dem rechten Schieber ist die Laufzeit einstellbar. Durch langsames Ziehen des linken Schiebers zeigt sich das entsprechende Diagramm. Das Einstellen einer neuen Laufzeit oder das Zurücksetzen des linken Schiebers an den Skalenanfang löscht einen angezeigten Kurvenzug.

Linearisierung des Spannungs-Frequenzgangs

Wie die Simulation zeigt, kann bei einem Druckgradientenempfänger der Kammfiltereffekt durch eine angepasste Dimensionierung der Mikrofonkapsel vermieden werden. Die Wegdifferenz für den Schall darf zwischen Vorder- und Rückseite der Membran nicht größer als die halbe Wellenlänge der höchsten aufzunehmenden Frequenz sein. Das Diagramm zeigt auch die mit der Frequenz zunehmende Druckdifferenz und damit verbunden eine höhere Nutzspannung.

Das System Membran mit Tauchspule besitzt eine Masse. Ihre Trägheit setzt der Auslenkung durch auftreffenden Schall einen Widerstand entgegen. Die von der trägen Masse ausgehende Hemmung ist bei geringer Auslenkung durch tiefe Frequenzen schwächer und nimmt zu hohen Frequenzen und schnelleren Auslenkungen zu. Das schwingende System erzeugt seinerseits einen Luftstrom und die damit verbundenen Reibungseffekte bewirken eine weitere Dämpfung zum hohen Frequenzbereich und den dort herrschenden größeren Druckgradienten.

Nahbesprechungseffekt

Die Schallwellen breiten sich von einer punktförmig angenommenen Quelle kugelförmig in den Raum aus. In ausreichender Entfernung zur Quelle verlaufen die Wellenfronten eher geradlinig. Der dazu notwendige Abstand von der Quelle ist frequenzabhängig. Im Nahfeld reagiert der Druckgradientenempfänger daher besonders bei tiefen Frequenzen mit einer Erhöhung der Ausgangsspannung. Dieser Nahbesprechungseffekt tritt für Frequenzen zwischen 100 Hz bis 500 Hz im Abstand unterhalb 3,4 m bis 0,68 m auf. Diese Entfernungen entsprechen den Wellenlängen der beiden Frequenzen. Befindet sich das Mikrofon im Abstand einiger Wellenlängen von der Quelle entfernt, so ist ein Nahbesprechungseffekt nicht mehr wahrnehmen.


Bändchenmikrofon

Bändchenmikrofon Die Membran des dynamischen Mikrofons besteht aus einer gefalteten Aluminiumfolie. Sie ist wenige Zentimeter lang, einige Millimeter breit und senkrecht zwischen den Polen eines Permanentmagneten eingespannt. Die Schallwellen versetzen diese sehr leichte Membran in Schwingungen, deren Auslenkung nur wenige Mikrometer betragen kann. Die Bewegung generiert an den Enden des Bändchens eine proportionale Induktionsspannung.

Dieser Mikrofontyp ist mechanisch besonders empfindlich und verfügt über ein sehr gutes Impulsverhalten. Für hohe Schalldrücke ist es nicht geeignet. Die Membran schwingt kaum nach und ist auch für sehr hohe Frequenzen empfindlich. Die Impedanz der Kapsel ist extrem niederohmig. Verglichen mit einem Tauchspulenmikrofon ist die Nutzspannung des Bändchenmikrofons viel geringer. Eine zusätzliche Spannungsversorgung ist nicht notwendig, es reicht ein passiver Ausgangsübertrager.