Charakterystyki mikrofonów - jak je czytać i o czym nam mówią

To wiemy właściwie wszyscy. Każdy mikrofon, nie tylko dynamiczny, podobnie jak każde inne urządzenie, cechuje się pewnymi charakterystykami i parametrami. To też jest dla każdego jasne. Ale czy na pewno potrafimy odczytywać te charakterystyki i prawidłowo je interpretować? Tym właśnie zagadnieniom poświęcony jest niniejszy artykuł.

ZACZNIJMY OD…

…pojęcia skali decybelowej. Pisaliśmy już na łamach (jeszcze) LSP co nieco o decybelach (przy okazji artykułu o poziomach operacyjnych, itp.), ale tak podstawowej wiedzy nigdy dość, toteż małe przypomnienie.

Skala decybelowa stanowi fundamentalny element specyfikacji każdego mikrofonu (i nie tylko). Jest to skala logarytmiczna, co oznacza, iż zmiany wartości w jednej osi (zazwyczaj poziomej) odpowiadają logarytmom wartości w osi drugiej. Pozwolę sobie darować dalsze rozważania o tym, co to jest logarytm i tak dalej, bo to wiedza elementarna z zakresu matematyki, którą każdy szanujący się inżynier dźwięku powinien posiadać.

W tym miejscu powiem tylko, że tę akurat skalę stosuje się w elektroakustyce przez wzgląd na to, iż czułość słuchu (nie tylko) ludzkiego ma charakterystykę właśnie logarytmiczną, a nie liniową. Zainteresowanych zgłębieniem tego tematu polecam zapoznanie się z prawem Webera-Fechnera. Poza tym wartości i ich proporcje wyrażane w decybelach są łatwiejsze do "ogarnięcia", niż ogromne liczby, jakie otrzymywalibyśmy, pozostając w kręgu obliczeń wartości w skali liniowej.

Krótko mówiąc, skala decybelowa pozwala odwzorować relacje pomiędzy danym ciśnieniem akustycznym i ciśnieniem odniesienia, w większości przypadków określanym jako 20 µPa (mikropaskali). Owo ciśnienie 20 mikropaskali odpowiada zeru na skali decybelowej, czyli progowi słyszenia. Nie oznacza to wcale, iż 0 dB reprezentuje absolutny brak dźwięku, a jedynie to, że jeśli jakiś dźwięk występuje, to przeciętny człowiek nie jest w stanie go usłyszeć.

Inaczej mówiąc, ciśnienie dźwięku wywoływane przez dane źródło nie jest w stanie wytworzyć ciśnienia akustycznego zdolnego do poruszenia błony bębenkowej w uchu. Wg pewnego opracowania próg słyszalności wyznaczony jest głośnością trzepotu skrzydeł komara "słyszanego' z odległości 3 metrów. Kto wie, może i tak …

CHARAKTERYSTYKA CZĘSTOTLIWOŚCIOWA

Charakterystyką mikrofonu, na którą wszyscy zwykle zwracają uwagę w pierwszym rzędzie, jest charakterystyka częstotliwościowa, czasami zwana też odpowiedzią częstotliwością (jako dosłowne tłumaczenie angielskiego odpowiednika - frequency response). Co znaczy to pojęcie?

Charakterystyka ta, przedstawiana zazwyczaj w formie wykresu, prezentuje zdolność mikrofonu do przetwarzania energii akustycznej, zawartej w całym paśmie akustycznym, w elektryczną. Z wykresu takiego możemy się jednak dowiedzieć nie tylko tego, że dany mikrofon potrafi przetworzyć częstotliwości od do, ale także na ile wiernie jest w stanie oddać koloryt przetwarzanego dźwięku - inaczej mówiąc, jakie tony podbija, a jakie tłumi.

Oczywiście, wykresy te sporządzane są z pewną tolerancją i stanowią jedynie przybliżony obraz "brzmienia" mikrofonu. Nie należy tego pojęcia mylić z innym - pojęciem "zakresu częstotliwości". Czasami zakres ten zresztą określa się także mianem "pasma przenoszenia".

ODPOWIEDŹ OSIOWA, POZAOSIOWA I W POLU ROZPROSZONYM

Mówiąc "po ludzku", chodzić nam będzie tu o kierunkowość mikrofonu. Producenci profesjonalnych mikrofonów często podają nie tylko charakterystyki danego mikrofonu mierzone na wprost, pod kątem 0° względem jego osi podłużnej, czyli w obszarze, w którym mikrofon cechuje się największą czułością i skutecznością. Należy jednak pamiętać, że pomiar ów odbywa się często z różnych odległości, co nie pozostaje bez wpływu na zmierzone wartości.

Oprócz odpowiedzi osiowej mierzone są, i często ujawniane, także charakterystyki pozaosiowe. Oczywiście, tyczy się to głównie mikrofonów kierunkowych. Pomiary te mają pokazać skuteczność mikrofonu w zakresie przetwarzania dźwięków dochodzących pod różnymi kątami.

Największe znaczenie mają one w odniesieniu do tych mikrofonów, od których oczekujemy, że będą "zbierały" dźwięk przede wszystkim z kierunku, w którym zamierzamy je zwrócić, a słabiej z boków i tyłu, albo wręcz odwrotnie - kiedy szukamy mikrofonu, który będzie zbierał dobrze w osi i równie dobrze, lub tylko nieznacznie mniej skutecznie, w określonym obszarze pozaosiowym.

Wyniki takich pomiarów mogą być przedstawiane zarówno na wykresach X/Y, jak i biegunowych. Jedne i drugie przedstawiają niby to samo, ale jednak w inny sposób. Podczas ich interpretacji należy pamiętać, że uzyskane wyniki oddają skuteczność badanych mikrofonów przy odchyleniu od osi nie tylko w płaszczyźnie poziomej, ale i pionowej.

Wykres biegunowy jest przy tym znacznie bardziej "obrazowy". Punkt odniesienia, czyli punkt na samej górze (lub dole), na zewnętrznym kręgu, reprezentuje zwykle źródło tonu sinusoidalnego o częstotliwości 1 kHz, na które jest skierowany badany mikrofon. Kolejne kręgi wewnętrzne odpowiadają spadkom poziomu sygnału o 5 dB każdy. Jeśli w danym przypadku zastosowano inne stopniowanie, to jest to wyraźnie zaznaczone.

Linie odpowiadające poszczególnym częstotliwościom powinny być jak najbardziej wyrównane i - w przypadku wykresu biegunowego - symetryczne. Wszelkie nadmiernie wyeksponowane zapadłości i piki świadczą o braku liniowości odpowiedzi pozaosiowej mikrofonu. Generalną zasadą jest to, że poszczególne krzywe nie powinny się przecinać.

Trzecia charakterystyka, czyli odpowiedź w polu rozproszonym, pokazuje nam, jak dany mikrofon radzi sobie z przetwarzaniem poszczególnych częstotliwości w większej przestrzeni, gdy nie kierujemy go na żadne konkretne źródło dźwięku. W miejscu takim sumują się odbicia od ścian, sufitu i podłogi, w rezultacie czego dźwięk pośredni staje się równie głośny, lub nawet głośniejszy, niż bezpośredni.

Pomiar tego typu ma największe znaczenie zwłaszcza w odniesieniu do mikrofonów wszechkierunkowych, które mają zdolność do bardzo skutecznego przetwarzania najniższych częstotliwości. Wykres odpowiedzi w polu rozproszonym pokazuje wówczas, na ile skuteczniej owe niskie tony są odbierane w stosunku do wysokich, w których zakresie widać wyraźny spadek skuteczności. Oczywiście, taka charakterystyka nie jest "zasługą" samego tylko przetwornika, ale po części wynika z absorpcji wyższych częstotliwości przez otoczenie.

EQUIVALENT NOISE LEVEL

U nas parametr ten określa się jako "szumy własne". Mówi on nam o tym, o jakim poziomie dźwięk wytwarza takie samo napięcie na wyjściu mikrofonu, co szum generowany przez tenże mikrofon. Problem szumów dotyczy przede wszystkim mikrofonów aktywnych - pojemnościowych, wstęgowych - czyli tych, które do działania wymagają doprowadzenia zasilania. Wynika to stąd, że każdy przepływ prądu generuje mniejsze bądź większe zakłócenia elektromagnetyczne.

Jasnym jest więc, że poszukując mikrofonu do nagrywania czy nagłaśniania cichych źródeł dźwięku będziemy się rozglądać za modelem cechującym się możliwie najniższym współczynnikiem szumu, czyli takim, przy którym poziom sygnału użytecznego, mimo że stosunkowo niski, nie spadnie poniżej poziomu zakłóceń. Jednocześnie szum własny wyznacza dolną granicę zakresu dynamiki mikrofonu.

Typowymi standardami określania Equivalent Noise Level są:

Skala dB(A) ważona, wyrażająca SPL przy uwzględnieniu czułości słuchu ludzkiego, z odfiltrowaniem zakłóceń niskoczęstotliwościowych. Za dobry rezultat można uznać wartości nieprzekraczające 15 dB(A).

Skala CCIR 468-1 stosująca inną metodę ważenia, co sprawia, że w jej przypadku wartości poniżej 25 do 30 dB uznaje się za dobry wynik.

Przykład:
Wszechkierunkowy mikrofon DPA 4041-S
Szum własny A-ważony: max 7 dB(A)
Szum własny CCIR 468-1: max 19 dB

CZUŁOŚĆ

Czułość wyraża zdolność mikrofonu do przetwarzania ciśnienia akustycznego na napięcie elektryczne. Parametr ten mówi nam więc, jakie napięcie pojawia się na wyjściu mikrofonu przy określonym ciśnieniu dźwięku. Mikrofon o wysokiej czułości daje mocny sygnał, o wysokim napięciu, co oznacza, że nie wymaga tak dużego wzmocnienia, jak mikrofon niskoczuły. Tam, gdzie źródła dźwięku są relatywnie ciche, należy więc stosować mikrofony o wysokiej czułości, które pozwolą zachować duży odstęp od szumów wynikających z amplifikacji sygnału.

Zgodnie z normą IE 268-4 czułość mikrofonów mierzona jest w miliwoltach generowanych na każdy paskal ciśnienia, dla częstotliwości 1 kiloherca (mikrofony pomiarowe cechuje się dla częstotliwości 250 Hz). Alternatywna metoda wyrażania czułości mikrofonu wywodzi się z tradycji amerykańskiej, według której parametr ten określany jest w decybelach, w relacji do 1 V/Pa. W tym przypadku uzyskujemy wartość ujemną. Poważni producenci mikrofonów podają także tolerancję pomiaru, która zazwyczaj nie przekracza 2 decybeli.

ODPORNOŚĆ NA CIŚNIENIE DŹWIĘKU

Często zdarza się, że warto zawczasu znać maksymalny poziom ciśnienia dźwięku (ang. Sound Pressure Level - SPL), jakie dany mikrofon jest w stanie znieść. Należy też wiedzieć, iż w typowej muzyce poziom ów zwykle bez trudu przewyższa poziom średni (ang. Root Mean Square - RMS), i to nierzadko o ponad 20 dB.

Wartość RMS wyraża więc uśrednienie SPL i nie odpowiada wartości szczytowej. A zatem musimy wiedzieć, przy jakim poziomie SPL zaczynają pojawiać się zniekształcenia harmoniczne (ang. Total Harmonic Distortion - THD), a przy jakim mikrofon zaczyna się przesterowywać, w rezultacie czego szczyty sygnału ulegają obcięciu i przybiera on formę fali kwadratowej.

Jako poziom progowy dla zniekształceń harmonicznych, które da się mierzyć, ale jeszcze nie da się ich usłyszeć, przyjmuje się 0,5% (bywa, że i 1%). Kupując mikrofon powinniśmy upewnić się, że podana wartość THD dotyczy całości "majka", czyli zespołu kapsuła + przedwzmacniacz. Często bywa bowiem tak, że producenci podają THD jedynie dla preampu, który wnosi znacznie mniej zniekształceń, niż kapsuła. Dla kapsuły z okrągłą membraną poziom zniekształceń podwaja się na każde 6 decybeli przyrostu poziomu wejściowego.

CZEGO CHARAKTERYSTYKI NAM NIE POWIEDZĄ

Charakterystyki, o których była tutaj mowa, odsłaniają tylko część prawdy o mikrofonie. Mówią nam wiele o jego skuteczności w przetwarzaniu energii akustycznej na elektryczną, ale nie pokażą skąd się bierze jego rzeczywiste brzmienie. Na podstawie wykresów nikt nie będzie w stanie stwierdzić, że - i właściwie dlaczego- jeden mikrofon brzmi cieplej czy bardziej "okrągło", niż inny.

Wynika to po części z tego, że pomiary dokonywane są zazwyczaj przy użyciu czystego przebiegu sinusoidalnego. Rzeczywiste dźwięki, z jakimi mamy do czynienia na estradzie czy w studiu, mają charakter o wiele bardziej złożony i dopiero zdolność do przetwarzania wszelkich "smaczków" decyduje o klasie mikrofonu.

Dlatego, na podsumowanie, powiedzieć można, że wszelkie te wykresy, jakimi częstują nas producenci, należy przyjmować może nie jako półprawdę, ale na pewno nie całą. Owszem, mogą orientacyjnie wskazać zakres zastosowań danego modelu, ale ostateczny dobór zależy wyłącznie od naszych uszu - wykresom nie należy wierzyć na ślepo.

Marcin "EmDżi" Grass

Marcin "EmDżi" Grass pracuje na co dzień jako technik w dużej, zachodniej firmie rentalowej.