100

E

Essttrraaddaa ii S

Sttuuddiioo •• kkw

wiieecciieeññ 22000066

TECHNOLOGIA

Nagłaśnianie dla każdego

Piotr Sad³oñ

Tak jjak ¿¿aden, nnawet nnajlepszy kkie-
rowca nnic nnie zznaczy bbez ssamocho-
du, ¿¿aden oochroniarz nnijak nnie dda
sobie rrady bbez cciemnych ookularów
tak ii obecnie ¿¿aden w

wokalista nna

dobr¹ ssprawê nnie iistnieje bbez m

mi-

krofonu.

Najpierw może banalne, ale podstawo-

we pytanie: czym jest mikrofon i do czego
służy? Jak głosi definicja: „mikrofon jest
przetwornikiem elektroakustycznym, prze-
twarzającym energię akustyczną na elek-
tryczną”. Jak on tego dokona zależy od ja-
kosci i wiernosci przetwarzania. Właśnie
jednym z parametrów, dzięki któremu mo-
żemy zaklasyfikować mikrofon pod wzglę-
dem „umiejętności” przetwarzania prze-
zeń dźwięku na prąd, jest skuteczność. Pa-
rametr ten, tak naprawdę niewiele będzie
nam mówił o jakości czy wierności prze-
twarzania. Jest on bowiem parametrem
ilościowym, określającym proces przetwa-
rzania, „wskazując na wartość otrzymane-
go efektu elektrycznego w odniesieniu do
wartości ciśnienia akustycznego”. Bardziej
po ludzku – z parametru tego możemy do-
wiedzieć się jak dużo albo jak mocny sy-
gnał elektryczny otrzymamy na wyjściu
mikrofonu przy danym ciśnieniu akustycz-
nym padającym na element odbierający fa-
le akustyczne (np. membranę). Możemy
rozróżnić:
• Skuteczność napięciową mikrofonu

– mierzoną w [V/Pa] – wolt na paskal.
Nazwano tak stosunek siły elektromo-
torycznej (inaczej napięcia między
otwartymi zaciskami) mikrofonu do ci-
śnienia akustycznego równego 1Pa,
przy określonej częstotliwości i kierun-
ku padania. Najczęściej jest to częstotli-
wość 1kHz, kierunek padania prostopa-
dle na membranę, źródło dźwięku
w odległości 1m od mikrofonu. a tak
a propos, jak wiadomo paskal jest jed-
nostką ciśnienia. Niedawno spotkałem
się z jednostką skuteczności opisaną ja-
ko V/mb. Chwilę mi zajęło, zanim do-
szedłem do wniosku, że nie jest to wolt
na metr bieżący, ale wolt na milibar,
jednostkę również ciśnienia, ale nieczę-
sto u nas stosowaną (jeśli już to w me-
teorologii).

• Skuteczność prądową mikrofonu

– w [A/Pa] – stosunek prądu płynącego
między zaciskami mikrofonu, obciążo-
nego impedancją znamionową, do ci-
śnienia akustycznego 1Pa, w warun-
kach jw.
Prawdę mówiąc, na co dzień nie spotka-

łem się jeszcze ze stosowaniem w opisie
mikrofonów użytkowych skuteczności
prądowej, skupmy się więc na skuteczno-
ści napięciowej, a także na równie często
stosowanym poziomie skuteczności, okre-
ślany wzorem:

w którym

ϑ

to skuteczność (napięciowa

lub prądowa) zaś

ϑ

0

to skuteczność od-

niesienia. Przyjmuje się za skuteczność
odniesienia wartość 1V/Pa (w przypadku
skuteczności prądowej 1A/Pa).

Mów do mnie czule

Skuteczność (po angielsku nazwana

sensitivity) jest zależna od typu mikrofo-
nu. Więcej o typach powiemy sobie w ko-
lejnym numerze, teraz tylko powiem, że
w zasadzie stosuje się dwa typy mikrofo-
nów: dynamiczne i pojemnościowe. Te
pierwsze charakteryzują się małą skutecz-
nością w granicach od 1 do 3mV/Pa (po-
ziom skuteczności od -60dBV do -50dBV).
Zdarzają się też mikrofony mające sku-
teczność poniżej 1mV/Pa, np. słynny Shu-
re Beta 52 służący do nagłaśniania stopy,
dla którego parametr sensitivity wynosi
tylko 0,63mV/Pa (-64dBV). Magicznych
3mV/Pa raczej nie udaje się przekroczyć
w mikrofonach dynamicznych.

Mikrofony pojemnościowe mają nie tyl-

ko większe wartości skuteczności, ale też
i szerszy „rozrzut”. Są mikrofony, które
mają 6mV/Pa (-44dBV) – np. klasyk AKG

N

Naagg³³aaœœnniiaanniiee ddllaa kkaa¿¿ddeeggoo

P

Paarraam

meettrryy m

miikkrrooffoonnóów

w

Mikrofony dyna-

miczne z uwagi na

sw¹ konstrukcjê naj-

lepiej nadaj¹ siê do

bliskiego omikrofo-

nowania wszelkiego

typu Ÿróde³ dŸwiêku,

w tym tak¿e wokali-

stek i wokalistów,

którzy chc¹c nie

chc¹c tak¿e s¹ Ÿró-

d³em dŸwiêku. Na

zdjêciu wokalista

grupy Bloc Party ko-

rzystaj¹cy z mikro-

fonu dynamicznego

firmy Sennheiser.

C1000S, są też i takie, które mają grubo ponad
30mV/Pa, a nawet powyżej 40 (ale to już raczej
sporadyczne przypadki na tle tych najczęściej
występujących). Średnio skuteczność mikrofo-
nów pojemnościowych mieści się w granicach
10-25mV/Pa (-40 do -32dBV). Są jednak i takie
„perełki”, jak np. pojemnościowy mikrofon do
stopy Shure Beta 91, którego skuteczność nie-
wiele przekracza 1mV/Pa.

Będąc już przy temacie, warto znać jeszcze

sposób przeliczania poziomu skuteczności na
skuteczność. Często zdąża się w katalogach, że
jest podane tyko np. sensitivity -52dBV (lub sa-
mo dB). Dla niewprawnych w decybelach nie-
wiele to mówi – przyzwyczajeni jednak jesteśmy
do jednostek bardziej rzeczywistych niż do skali
logarytmicznej. Ile więc to będzie mV/Pa? 2, 5 czy
20? Posłużmy się wzorem:

Jak łatwo policzyć, sensitivity -52dBV odpowia-
da 2,5mV/Pa.

Na podstawie tego parametru możemy określić

czułość mikrofonu, czyli jak silne (albo jak ciche)
dźwięki jest on w stanie przetworzyć, tak żeby nie
„zginęły” w szumie własnym wytwarzanym przez
mikrofon. Jak wiadomo wszystko szumi (czyżbym
wymyślił nową myśl filozoficzną pokroju „wszyst-

ko płynie”?). Przynajmniej, jeśli mamy na myśli
urządzenie elektryczne lub elektroniczne, czyli ge-
neralnie korzystające z dobrodziejstw przepływu
prądu. Dotyczy to nawet urządzeń cyfrowych,
choć w mniejszym zakresie niż analogowych
(patrz ramka „Wszystko szumi”).

Co prawda szumy własne wyższej klasy urzą-

dzeń elektronicznych mają wartości kilkuset na-
nowoltów (1nV = 0,000000001V) lub pojedyn-
czych mikrowoltów (0,000001V). Zważmy jed-
nak, że owe 2mV/Pa jakie otrzymamy na wyjściu
przykładowego mikrofonu dynamicznego będzie
wtedy, gdy nasz dźwięk, znajdujący się w odle-
głości 1 m od mikrofonu, będzie miał ciśnienie
akustyczne 1Pa (spójrzmy jeszcze raz na definicję
skuteczności napięciowej powyżej). Jeśli ciśnie-
nie akustyczne 1Pa niewiele nam mówi, warto
wiedzieć, że to takie ciśnienie, jakie wytworzy
dźwięk o poziomie 94dB. Dodam, że poziom
dźwięku 94dB odpowiada mniej więcej głośnemu
krzykowi (męskiemu, niewiasty krzyczą nie tylko
głośniej, ale i przeraźliwiej) lub hałasowi wywoła-
nemu przez przejeżdżający obok nas samochód
z uszkodzonym tłumikiem. Średni poziom kon-
wersacji to ok. 70dB (z wokalem jest różnie, taki
Pavarotti na przykład to pewnie i ze 110dB „wy-
ciąga”), co odpowiada ciśnieniu akustycznemu
równemu 0,63Pa. Mnożąc to razy 2mV/Pa otrzy-
mujemy wartość napięcia na wyjściu mikrofonu

równą 1,26mV. Jeśli taki mikrofon zechcemy użyć
np. do nagłośnienia chóru albo grupy instrumen-
tów, ustawiając go w odległości większej niż 1m,
napięcie będzie jeszcze niższe. Mikrofony dynami-
czne nie nadają się więc do nagłaśniania z więk-
szej odległości, nie takie zresztą jest ich zadanie.

Natomiast mikrofony o dużej skuteczności

będą sprawiały nam problem innego rodzaju.
Jeśli mamy mikrofon o skuteczności 40mV/Pa,

Nagłaśnianie dla każdego

TECHNOLOGIA

Wszystko szumi

Ka¿dy element elektroniczny, czy to tranzystor, czy

dioda, czy nawet zwyk³y rezystor s¹ niestety Ÿród³em

szumu. To sprawia, ¿e jakiekolwiek urz¹dzenie elektro-

niczne oprócz przenoszenia sygna³u, który podawane

jest na jego wejœcie, „dorzuca” do niego mniej lub wiê-

cej chaotycznego, zajmuj¹cego prawie równomiernie

ca³e dostêpne pasmo czêstotliwoœciowe sygna³u, który

my nazywamy szumem. Je¿eli nasz sygna³ u¿yteczny ma

wartoœæ napiêcia ni¿sz¹ ni¿ napiêcie sygna³u szumowego,

praktycznie jest on ju¿ spisany na straty. Oczywiœcie s¹

sposoby na wydobycie z szumu u¿ytecznego sygna³u, na-

wet w sytuacji, gdy sygna³ ten niemal¿e ca³kowicie ginie

w szumie, ale jest to stosunkowo czaso i pracoch³onne.

Zasadniczo wiêc im sygna³ u¿yteczny jest mocniejszy,

tym ma wiêksze szanse przebiæ siê przez szumy w³asne

urz¹dzenia (w naszym przypadku mikrofonu) i potem jest

szansa dalej go przetwarzaæ. Widzimy wiêc, ¿e jeœli sku-

tecznoœæ mikrofonu bêdzie wiêksza, co przek³ada siê

w linii prostej na to, ¿e na jego wyjœciu otrzymamy wy¿-

sze napiêcie, tym mamy wiêksz¹ szansê na przetworze-

nie nawet bardzo cichych dŸwiêków (albo g³oœnych, ale

znajduj¹cych siê doœæ daleko od mikrofonu). To z kolei

przek³ada siê na to, z jakiej odleg³oœci bêdzie nam ów

mikrofon „zbiera³” sygna³y.

102

E

Essttrraaddaa ii S

Sttuuddiioo •• kkw

wiieecciieeññ 22000055

TECHNOLOGIA

Nagłaśnianie dla każdego

to przy 94dB na jego wyjściu dostaniemy
owe 40mV. Dla niektórych wzmacniaczy to
jest już dość dużo. A jeśli np. mamy dźwięk
o poziomie 110dB, to jego ciśnienie aku-
styczne wyniesie 6,3Pa. W takiej sytuacji
na wyjściu mikrofonu otrzymamy 252mV,
z czym niewiele wzmacniaczy da sobie ra-
dę bez przesterowania sygnału na wyjściu.
Dlatego mikrofony o dużej skuteczności
często mają wbudowany tłumik wewnętrz-
ny (np. -20dB) właśnie po to, żeby już na
wstępie zapobiegać takim sytuacjom.

IloϾ nie zawsze przechodzi w jakoϾ

Sama skuteczność czy poziom skutecz-

ności, jak już wspomniałem, niewiele po-
wie nam o jakości przetwarzania. Jeśli
chcemy wiedzieć czy nasz mikrofon będzie
przetwarzał różnorakie dźwięki wiernie,
bez tłumień i podbić, czyli bez zniekształ-
ceń częstotliwościowych, musimy sięgnąć
do wykresu przedstawiającego skutecz-
ność lub poziom skuteczności jako funkcję
częstotliwości. Jak w każdym urządzeniu
akustycznym im ta charakterystyka ma
bardziej płaski przebieg, bez górek i doli-
nek, oraz im jest szersza tym lepiej. Ideał
to oczywiście płaska linia w zakresie od
20Hz do 20kHz. Często producent nie po-
daje jak przebiega charakterystyka, podaje
tylko zakres częstotliwości, w którym cha-
rakterystyka nie spada i nie rośnie o więcej
niż 3dB względem średniej wartości sku-
teczności (jeśli charakterystyka jest nazbyt
„pagórkowata”, za średnią wartość podaje
się tę zmierzoną dla częstotliwości równej
1kHz). Bywa też, że nie bierze się pod
uwagę wzrostu o 3dB i w takim przypad-
ku za częstotliwości graniczne przyjmuje
się te, dla których poziom skuteczności
spada o 3dB. Mamy więc pewność, że
w paśmie użytecznym nie mamy „dziur”
większych niż -3dB, nie możemy jednak
mieć pewności czy nie występują tam zbyt
duże podbicia pewnych pasm. Dobrze jest
więc przed wyborem (zakupem) jakiegoś
mikrofonu zapoznać się z charakterystyką
naszego potencjalnego pomocnika w na-
głaśnianiu.

Jest jeszcze jeden parametr, który może

mieć dla nas bardzo istotne znaczenie.
Przeważnie zależy nam na jak największej
skuteczności. Jednak często jest tak, że nie
zależy nam na tym, aby mikrofon był czu-
ły na dźwięki dochodzące z boku lub z ty-

łu. Więcej – wolelibyśmy, aby z tych kie-
runków mikrofon nie zbierał nam zbyt do-
brze (inne instrumenty, zakłócenia, sygnał
z monitorów, co będzie powodowało po-
wstawanie sprzężenia). O tym wszystkim
powie nam kierunkowość.

I z lewa, i z prawa

Własności kierunkowe mikrofonu są

określane stosunkiem skuteczności przy
dowolnym kącie padania fali dźwiękowej
do skuteczności przy padaniu prostopa-
dłym na element odbierający energię aku-
styczną. Można to określić bądź liczbą
bez jednostki (jeśli wyrażamy skutecz-
ność w mV/Pa) lub w dB (jeśli mamy do
czynienia z poziomem skuteczności). Mu-
simy też określić o jaką kierunkowość
nam chodzi, tzn. z jakiego kąta padania
fali. Może być to kierunkowość przód
– tył lub konkretnie w kątach, np. kierun-
kowość z kierunku 45 stopni (w stosunku
do kierunku prostopadłego do membrany).
Np. jeśli kierunkowość przód – tył nasze-
go mikrofonu o skuteczności 2,5mV/Pa
wynosi 1/5, to skuteczność mikrofonu
„od tyłu” wynosić będzie 0,3mV/Pa. To
oznacza, że poziom skuteczności z tego
kierunku padania będzie wynosił -68dB
(pamiętamy, że poziom skuteczności mi-
krofonu wynosi -52dBV). W takim razie
kierunkowość z kierunku przód – tył wy-
rażona w dB będzie różnicą tych dwóch
wartości i będzie wynosiła -16dB. O wiele
więcej powie nam jednak przebieg kie-
runkowości w funkcji kąta padania fali,
który nazywa się charakterystyką kierun-
kową mikrofonu. Dzięki temu znać bę-
dziemy różnicę w poziomach skuteczno-
ści dla wszystkich kątów, a nie tylko jed-
nego, wybranego kierunku. Charaktery-
styka taka wyznaczana jest oczywiście
dla jednej wybranej częstotliwości. Aby
wiedzieć więcej na temat kierunkowości
mikrofonu wykreśla się taką charaktery-
stykę dla kilku częstotliwości.

Ze względu właśnie na charakterysty-

kę kierunkową mikrofony dzielimy na:
wszechkierunkowe (charakterystyka do-
okólna), dwukierunkowe (ósemkowa),
jednokierunkowe (kardioidalna lub nerko-
wa, superkardioidalna), wybitnie jedno-
kierunkowe (o ostrej charakterystyce jed-
nokierunkowej) oraz o regulowanej kie-
runkowości.

Od czego zale¿¹ w³asnoœci

kierunkowe mikrofonu

Właściwości kierunkowe zależą przede

wszystkim od sposobu odbierania energii
akustycznej i przetwarzania jej na energię
mechaniczną, a następnie od kształtu
i rozmiarów mikrofonu w porównaniu
z długością fali. Jeśli membrana mikrofo-
nu jest wystawiona na działanie fali
dźwiękowej tylko z jednej strony (druga
strona jest zasłonięta np. przez obudowę),
to reaguje ona na ciśnienie i mikrofon na-
zywamy ciśnieniowym. Jeśli rozmiary mi-
krofonu są znacznie mniejsze niż długość
fali, ciśnienie akustyczne na powierzchni
membrany jest niezależne od kierunku,
z jakiego dochodzi fala, więc siła wywiera-
na na membranę jest taka sama dla
wszystkich kierunków padania fali na mi-
krofon. W takiej sytuacji mikrofon ciśnie-
niowy jest wszechkierunkowy i jego cha-
rakterystykę kierunkowości nazywamy
charakterystyką dookolną lub kołową
(rys. 1). Oczywiście jest to charakterysty-
ka wykreślona tylko w jednej płaszczyźnie,

Ze wzglêdu na charakterystykê kierunkow¹ mikrofony dzie-

limy na: wszechkierunkowe, dwukierunkowe, jednokierun-

kowe, wybitnie jednokierunkowe oraz o regulowanej kie-

runkowoœci.

Rys. 1. Charaktery-

styka kierunkowa mi-

krofonu ciœnienio-

wego.

Rys. 2. Charaktery-

styka kierunkowa mi-

krofonu gradiento-

wego.

Rys. 3. Charaktery-

styka kierunkowa mi-

krofonu ciœnieniowo-

gradientowego.

tak naprawdę jest to kula, w której
centrum znajduje się mikrofon.

Przy dużych częstotliwościach

(małych długościach fal), gdy roz-
miary mikrofonu są tego samego
rzędu co długości fal, mikrofon ci-
śnieniowy traci własności wszech-
kierunkowe. Najbardziej uprzywi-
lejowanym kierunkiem jest kieru-
nek na wprost membrany. Z tych
powodów mikrofony ciśnieniowe,
które muszą być wszechkierunko-
we w jak najszerszym zakresie czę-
stotliwości, robi się możliwie małe
w stosunku do długości najkrót-
szej fali.

Gdy element odbierający energię

akustyczną jest poddany z obu
stron działaniu fali akustycznej,
wówczas wypadkowa siła działają-
ca nań pochodzi od różnicy ciśnień
akustycznych występujących po
obu stronach elementu. Elemen-
tem odbierającym energię aku-
styczną może być membrana lub
wstęga odsłonięta z obu stron,
bądź dwie membrany odsunięte od
siebie na pewną odległość i wysta-
wione tylko zewnętrznymi po-
wierzchniami na działanie fali. Po-
nieważ działanie tych mikrofonów
zależy od różnicy ciśnień, czyli od
gradientu ciśnień, nazywa się je
gradientowymi, a czasem też pręd-
kościowymi (gdyż gradient ciśnie-
nia akustycznego jest proporcjo-
nalny do prędkości cząstki powie-
trza). Charakterystyka kierunko-
wości mikrofonu gradientowego
ma kształt ósemki

(rys. 2) i dlate-

go nazywa się je ósemkową lub
dwukierunkową.

Jeśli mikrofon ciśnieniowy i gra-

dientowy, o takich samych warto-
ściach skuteczności, połączy się
szeregowo tak, aby ich napięcia na

wyjściu dodawały się, otrzyma się
mikrofon ciśnieniowo-gradientowy
o charakterystyce kierunkowości
przypominającą nerkę

(rys. 3).

Dlatego mikrofon taki nazywa się
jednokierunkowym, a jego charak-
terystykę kardioidalną. Mikrofon,
w którym stosunek skuteczności
części „wszechkierunkowej” do
skuteczności „ósemkowej” może
być dowolnie zmieniany, nazywa
się mikrofonem o regulowanej kie-
runkowości. Oczywiście w rzeczy-
wistości nikt nie łączy ze sobą
dwóch rodzajów mikrofonów, gdyż
wtedy jego rozmiary byłyby kolo-
salne. Jak zbudowany jest w rze-
czywistości mikrofon o charaktery-
styce kardioidalnej dowiemy się
w kolejnym odcinku.

Ostatnią grupę stanowią mikro-

fony wybitnie jednokierunkowe,
których charakterystyki kierunko-
wości mają kształt bardzo wydłu-
żonej połówki ósemki. Takie mi-
krofony otrzymuje się przez zasto-
sowanie specjalnych elementów
akustycznych, jak rury, reflektory
akustyczne, które skierowują fale
dźwiękowe na element odbierający
energię akustyczną. Mikrofony kie-
runkowe są stosowane zwłaszcza
wtedy, gdy należy odebrać i prze-
tworzyć dźwięki przychodzące tyl-
ko z wybranych kierunków. Dzięki
ich właściwościom kierunkowym
zostaje zmniejszony wpływ dźwię-
ków niepożądanych jak szum,
echo, pogłos i zakłócenia.

E

i

i

S

E

Essttrraaddaa ii S

Sttuuddiioo •• kkw

wiieecciieeññ 22000066

Podczas koncertów zazwyczaj stosuje siê mi-

krofony o charakterystyce kierunkowej ner-

kowej, pozwalaj¹cej uzyskaæ optymalny od-

stêp od dŸwiêków dochodz¹cych z innych

kierunków. Zdjêcie prezentuje zespó³ Linkin

Park na scenie podczas koncertu Live 8. Wo-

kaliœci u¿ywaj¹ mikrofonów Audio-Technica.