Mikrofon i preamp w jednym stali domku - zgodna współpraca przedwzmacniacza z mikrofonem

Napięcie na zaciskach mikrofonu bardzo rzadko przekracza bowiem wartość 1 V, utrzymując się przeważnie, podczas pracy w znakomitej większości przypadków, w zakresie od pojedynczych mV do kilkudziesięciu mV. To sprawia, że sygnału z mikrofonu nie można, ot tak, podłączyć od razu do wzmacniacza - bez pośrednictwa przedwzmacniacza się nie obejdzie. I mam tu na myśli przedwzmacniacz w bardzo szerokim tego słowa znaczeniu - nie tylko jako osobne urządzenie, powszechnie stosowane w studiach nagrań, ale też np. jako preamp w kanale miksera. Z pozoru współpraca jednych z drugimi (mikrofonów z przedwzmacniaczami) to żadna filozofia - wystarczy połączyć wyjście mikrofonu z wejściem preampu, kręcić "gainem" aż do momentu, gdy czerwona dioda CLIP zacznie coraz bardziej ochoczo pobłyskiwać i... pozamiatane.

Niestety, nie ma tak łatwo. Jeśli zależy nam na zgodnej i owocnej współpracy tych urządzeń, trzeba nieco bardziej wysilić swój intelekt, niż w sposób opisany powyżej. Czyste, klarowne i pozbawione szumów brzmienie będzie wymagało od nas znajomości pewnych parametrów - tak mikrofonu, jak i przedwzmacniacza - oraz kilku prostych działań matematycznych (w zasadzie sprowadzających się do umiejętności odczytania pewnych wielkości z tabel). Zatem do dzieła.

W CZYM PROBLEM

Dobierając odpowiedni przedwzmacniacz do mikrofonu lub na odwrót - mikrofon do przedwzmacniacza - musimy rozważyć dwa problemy i zadać sobie dwa pytania. Pierwszy problem to tzw. headroom, czyli zapas dynamiki, i wiążące się z tym pytanie - czy mam go wystarczająco dużo? Drugi problem dotyczy szumów, i rodzące się w związku z tym pytanie - na ile pogorszy nam się (bo na pewno nie poprawi) stosunek sygnał/szum po podłączeniu mikrofonu do preampu? Krótko mówiąc, musimy rozważyć czy w najgorszym przypadku mikrofon będzie w stanie przesterować nam wejście przedwzmacniacza, oraz czy tenże preamp będzie miał istotny, negatywny wpływ na charakterystykę szumową mikrofonu.

Oczywiście, problemów dotyczących współpracy tych urządzeń jest więcej, a kolejnym z nich jest właściwa wartość impedancji wejściowej. Obecny trend jest taki, iż wejścia przedwzmacniaczy charakteryzują się stosunkowo wysoką impedancją, rzędu dwóch i więcej kiloomów.

Ponieważ to dołączona impedancja (a więc w naszym przypadku mikrofonu podłączonego do preampu) określa charakterystykę szumową na wyjściu, a impedancja mikrofonów jest relatywnie niska (rzędu 150-300 Ω), nie ma zagrożenia zwiększeniem szumów ze strony nawet jeszcze wyższych impedancji wejściowych.

Inną kwestią, którą musimy rozważyć w przypadku współpracy przedwzmacniaczy z mikrofonami pojemnościowymi, jest zasilanie Phantom. Panuje dość powszechne twierdzenie, że mikrofony brzmią lepiej, gdy napięcie fantomowe ma wartość 48 V, niż, na przykład, 12 V, albo inny mit - im większa wartość napięcia Phantom, tym lepsza dynamika sygnału mikrofonu. Dla zdecydowanej większości mikrofonów oba te twierdzenia są fałszywe.

Większość mikrofonów pojemnościowych wymaga zasilania napięciem stałym z zakresu 12-48 V, w niektórych przypadkach zakres ten rozszerza się do 9-52 V, i tylko w niewielu musi wynosić nie mniej niż 48 V. Powód? Większość rozwiązań układów elektronicznych "pojemników" korzysta z wbudowanego, wewnętrznego źródła prądowego, zasilającego niskonapięciową diodę Zenera (przeważnie o wartości napięcia 5 V, czasem wyższych), który to układ determinuje polaryzację napięcia i zasilanie elektroniki.

Istotne jest to, że kapsuła nie jest zasilana bezpośrednio napięciem fantomowym, ale z wewnętrznego źródła napięcia o ustalonej wartości. Tak więc, nawet jeśli będziemy zwiększać napięcie Phantom, mikrofon (czyli kapsuła i elektronika) i tak tego nie "widzi" - w ten sposób zwiększamy tylko napięcie źródła prądowego. Istnieją jednak wyjątki od tej reguły, tak więc warto sprawdzić w specyfikacji, bądź u producenta, czy nasz mikrofon ma rzeczywiście wbudowane takie źródło, a wtedy - jak już wiemy - nie przejmować się "zasłyszanymi mądrościami".

Przejdźmy jednak do naszych podstawowych, zasygnalizowanych już wcześniej problemów.

HEADROOM

Aby zbadać, czy nasz układ mikrofon-przedwzmacniacz zapewni nam wystarczający headroom, czyli czy będzie miał odpowiedni zapas dynamiki, a konkretnie odstęp od przesteru, musimy znać czułość (skuteczność) mikrofonu oraz maksymalny poziom ciśnienia akustycznego (SPL), który jest w stanie przenieść. Ze skutecznością mikrofonu jest przeważnie najmniejszy problem, gdyż parametr ten jest, jako jeden z podstawowych, podawany w specyfikacjach urządzenia, i generalnie nietrudno go znaleźć w dokumentacji lub na stronie internetowej producenta (szukajmy parametru "sensitivity").

Problemem dla mniej doświadczonych użytkowników może być dwojakość jednostek, jakimi jest on określany. Najczęściej spotkamy się ze skutecznością wyrażoną w mV/Pa, ale możemy też często napotkać wyrażenie sensitivity w decybelach (konkretnie w dBu). Jeśli chodzi o pierwszy przypadek, to powie on nam jakie napięcie pojawi się na końcówkach mikrofonu, jeśli zostanie on "potraktowany" ciśnieniem akustycznym o wartości 1 paskala.

Warto wspomnieć w tym miejscu, że ciśnieniu o wartości 1 Pa odpowiada poziom ciśnienia dźwięku równy 94 dB (zapisywany jako 94 dB SPL). Jeśli więc, przykładowo, mamy mikrofon, z którego specyfikacji wynika, że ma on skuteczność równą 20 mV/Pa, to możemy o nim powiedzieć, iż jeśli "uderzymy" w niego falą akustyczną o poziomie SPL równym 94 dB, wytworzy on nam na wyjściu napięcie o wartości 20 mV.

Znamy jeden parametr, z drugim - maksymalny poziom SPL - też nie powinno być problemów, gdyż, podobnie jak skuteczność, jest on jedną z podstawowych danych wyszczególnionych w specyfikacjach produktów. Jednak sama znajomość max. SPL nie na wiele nam się przyda potrzebujemy bowiem informacji jakie napięcie wytworzy mikrofon na swoim wyjściu w takich warunkach pracy, dzięki czemu - znając maksymalny poziom wejściowy przedwzmacniacza - będziemy wiedzieli czy w takiej sytuacji sygnał wchodzący na preamp nie będzie zbyt duży, tzn. czy już na wejściu nie przesteruje nam przedwzmacniacza.

Jeśli znamy referencyjną wartość napięcia wyjściowego mikrofonu (wynikającą z jego skuteczności), za pomocą prostych obliczeń możemy też policzyć napięcie (w mV) lub poziom sygnału (w dBu) na zaciskach przetwornika. Jest jednak prostszy sposób. Można w tym celu skorzystać z tabeli 1, w której z lewej strony odnajdujemy wartość skuteczności naszego mikrofonu, a na górze maksymalny poziom SPL, i z przecięcia tych dwóch parametrów odczytujemy wartość poziomu napięcia wyjściowego mikrofonu (w dBu). Przy okazji, o czym wspominałem wcześniej, tabela ta przyda nam się też, aby szybko odczytać jaka wartość skuteczności w mV/Pa odpowiada tej podawanej w dBu i na odwrót (dwie pierwsze kolumny tabeli).

Wracając do naszego wcześniejszego przykładu z mikrofonem o skuteczności 20 mV/Pa (teraz szybko możemy odczytać, że odpowiada to skuteczności równiej -32 dBu). Znajdując w specyfikacji jego max. SPL równy 130 dB odczytujemy, że przy tym poziomie SPL na zaciskach mikrofonu pojawi się sygnał napięciowy o poziomie +4 dBu (co, skądinąd, odpowiada napięciu 1,23 V).

Teraz już wiemy, że w skrajnych sytuacjach, czyli jeśli nasz mikrofon potraktujemy falą akustyczną o poziomie ciśnienia akustycznego równą 130 dB, przedwzmacniacz, do którego podłączymy nasz mikrofon, musi charakteryzować się maksymalnym poziomem napięcia wejściowego nie mniejszym niż +4 dBu albo napięciem wejściowym nie mniejszym niż 1,23 V. W przeciwnym wypadku mikrofon przesteruje nam wejście wzmacniacza i nic już potem nie będziemy w stanie z tym zrobić.

Oczywiście, jeśli jesteśmy pewni, że nasze źródło dźwięku nie jest w stanie wytworzyć tak dużego SPL, ale np. nie przekroczy ono 110 dB, możemy przyjąć w tabeli na górze wartość max. SPL o te 20 dB mniejszą i dla takiej wartości policzyć jaki maksymalny poziom na wejściu musi akceptować preamp. Trzeba jednak pamiętać, że przesterowanie jest w dużej mierze zależne od ustawienia czułości przedwzmacniacza. Wielu producentów podaje maksymalną wartość poziomu sygnału na wejściu przy ustawieniu czułości na minimum. Oznacza to, że nawet jeśli ostrożnie - zgodnie z wcześniej przedstawionym algorytmem - dobierzemy preamp do mikrofonu, możemy nie uniknąć przesterowania wejścia przedwzmacniacza.

Wystarczy, że z jakiegoś powodu podkręcimy czułość preampu i nasze misterne kalkulacje diabli wezmą. Dlatego zawsze trzeba mieć pewien zapas, czyli jeśli nasze wcześniej przedstawione kalkulacje potwierdzą, że co prawda jesteśmy "po bezpiecznej stronie", ale bez żadnego marginesu bezpieczeństwa (na styk) lepiej zastosować przedwzmacniacz o większym poziomie wejściowym albo - jeśli preamp jest nie do ruszenia (mamy taką konsoletę, a nie inną) - nieco mniej czuły mikrofon.

Jeden problem mamy załatwiony. Czas na drugi, którym są

SZUMY

Zarówno mikrofony, jak i przedwzmacniacze, szumią, tzn. wytwarzają szumy własne. Dobierając przedwzmacniacz do mikrofonu dobrze jest wiedzieć, w jakim stopniu ten pierwszy zdegraduje charakterystykę szumową mikrofonu. Próżno jednak szukać w specyfikacjach mikrofonów dynamicznych wyszczególnionego parametru, jakim są szumy własne. A to dlatego, że mikrofon dynamiczny to w zasadzie zwykła cewka, a więc nie ma tutaj żadnych układów aktywnych, które mogłyby generować szumy.

Jednak nie ma ideałów - owa cewka przetwornika dynamicznego stanowi też rezystancję, a jak wiadomo rezystory też szumią. Z racji jednak tego, że są to szumy o bardzo małych poziomach, producenci często pomijają ten parametr. Jednak, jak głosi stare powiedzenie, dla chcącego nic trudnego - możemy z dużym przybliżeniem oszacować te szumy, znając impedancję mikrofonu. Pomocna nam w tym będzie tabela 2.

I znów przykład - załóżmy, że dysponujemy jednym z najbardziej znanych mikrofonów dynamicznych pewnej amerykańskiej firmy na literę S, który charakteryzuje się impedancją równą 150 Ω. Z tabeli 2 szybko odczytujemy, że odpowiada to szumom o poziomie -136 dBu (A-ważone). Oznacza to, że trudno nam będzie znaleźć mikrofon dynamiczny o impedancji 150 Ω, który będzie szumiał mniej, niż owe -136 dBu (przy temperaturze 20°C, w paśmie do 20 kHz).

Aby teraz określić jaki wpływ na charakterystykę szumową naszego mikrofonu będzie miał przedwzmacniacz (ze znalezieniem parametru określającego szumy wejściowe tego typu urządzenia, czyli EIN, tj. equivalent imput noise, nie powinniśmy mieć problemów) przejdźmy do tabeli 3. W lewej kolumnie odczytujemy porównane wartości poziomu szumów mikrofonu i EIN preampu, a następnie odczytujemy w prawej kolumnie o ile decybeli preamp pogorszy nam szumy własne mikrofonu.

W przypadku "naszego" mikrofonu o impedancji 150 Ω i szumach własnych -136 dBu, podłączonego - załóżmy - do preampu, którego EIN również wynosi -136 dBu (a więc ich różnica wynosi 0), z pewną konsternacją stwierdzamy, że podłączenie takiego preampu do mikrofonu zdegraduje nam jego charakterystykę szumową o 3 dB!

A co z mikrofonami pojemnościowymi? Te "z definicji" szumią nieco bardziej, niż dynamiczne, gdyż muszą być wyposażone co najmniej w układ polaryzujący wkładkę napięciem stałym, a w przypadku przetworników elektretowych co najmniej w układ tranzystorowy dopasowujący mikrofon impedancyjnie. W bardziej rozbudowanych mikrofonach wbudowane w nie układy elektroniczne również będą bardziej rozbudowane, np. może w nim znaleźć się układ przedwzmacniacza albo transformator.

W mikrofonach pojemnościowych możemy więc spotkać się z parametrem określającym jego właściwości szumowe, przeważnie określany jako Equivalent Noise SPL lub Equivalent Noise Level. Oznacza to, iż "ilość" szumów określana jest za pomocą odpowiadającego im poziomu ciśnienia akustycznego. Innymi słowy, podawana jest taka wartość ciśnienia akustycznego, które na zaciskach mikrofonu wytworzy sygnał o takim poziomie, jak sygnał wywołany szumami własnymi. Tak więc ilość szumu mikrofonu pojemnościowego będzie wyrażona w dB SPL, np. 14 dB SPL (A-ważone).

I tutaj pojawia się kolejny problem, jak odnieść tę wartość do wartości EIN przedwzmacniacza, czyli - w naszym przykładzie - jak porównać 14 dB SPL z, załóżmy, preampem, którego EIN wynosi -128 dBu? Z pomocą przychodzi nam kolejna, czwarta już tabela, która pozwoli nam szybko przekonwertować szumy wyjściowe wyrażone w dB SPL na dBu A - ważone (przy znanej  wartości skuteczności mikrofonu). W naszym przykładzie, zaznaczonym w tabeli 4 kolorem niebieskim, 14 dB SPL dla mikrofonu o skuteczności 20 mV/Pa odpowiada szumom o poziomie -112 dBu A-ważone.

Po tym zabiegu wracamy do tabeli 3 i sprawdzamy na ile pogorszy się charakterystyka szumowa mikrofonu po podłączeniu do preampu o znanej wartości EIN. Nasz przykładowy mikrofon, co wyszło nam z tabeli 4, szumi z poziomem -112 dB. Załóżmy, że EIN przedwzmacniacza wynosi -120 dB. Różnica wynosi -8 dB, czyli nasz preamp jest o 8 dB cichszy, niż mikrofon (w sensie - wytwarza mniej szumów o te 8 dB). Odnajdując wartość -8 dB w lewej kolumnie tabeli 3 odczytujemy w kolumnie prawej, że preamp zdegraduje nam charakterystykę szumową mikrofonu tylko o 0,6 dB. Jak widać, to bardzo niewiele.

Im lepsze własności szumowe ma przedwzmacniacz w stosunku do mikrofonu, tym mniejszy jest jego negatywny wpływ na szumy mikrofonu. Z tabeli 3 widać, że już przy różnicy rzędu 10 dB na korzyść preampu jego wpływy na szumy mikrofonu są w zasadzie pomijalne (wynoszą mniej niż pół decybela).

Konkludując, im przedwzmacniacz akceptuje wyższy poziom sygnału na wejściu i im mniejszą ma wartość szumów EIN, tym lepiej - uzyskamy dzięki temu czysty, niezniekształcony i niezaszumiony dźwięk już na "dzień dobry", czyli na wejściu sygnału z mikrofonu do przedwzmacniacza.

A to może być newralgiczny punkt, bo jeśli już w tym miejscu go przesterujemy albo "okrasimy" dodatkowymi szumami, potem już w zasadzie nic z tym nie będziemy mogli zrobić. Pamiętajcie o tym!

Piotr Sadłoń

---

Autor przy pisaniu artykułów korzystał z artykułu Dennisa Bohna z firmy Rane Corporation.