Mikrofony - Skuteczność, poziom skuteczności i kierunkowość

Jednym słowem bez solidnych podstaw teoretycznych na temat mikrofonów ani rusz, toteż dla nieuświadomionych w tej tematyce przygotowaliśmy kilka podstawowych informacji na temat tych przetworników, co zapewne też, ku odświeżeniu pamięci, przyda się i tym, którzy z mikrofonami są „za pan brat”. W tym artykule skupimy się na kilku podstawowych parametrach, dzięki którym można jakoś zakwalifikować dany mikrofon i już na „dzień dobry” – zanim jeszcze weźmiemy go do ręki i „nausznie” sprawdzimy, co faktycznie jest wart – możemy coś na jego temat powiedzieć. Pierwszy taki parametr (w dwóch wariacjach) to

SKUTECZNOŚĆ, POZIOM SKUTECZNOŚCI

Skuteczność, w potocznym rozumieniu, to takie wykonanie czegoś, aby odniosło zamierzony skutek. Jest to też jeden z ważniejszych parametrów mikrofonów. Ale po kolei. Najpierw może banalne, ale podstawowe pytanie: czym jest mikrofon i do czego służy? Jak głosi definicja „mikrofon jest przetwornikiem elektroakustycznym, przetwarzającym energię akustyczną na elektryczną”. Jak na razie chyba nie ma problemów? Po co jednak zamieniać dźwięk na coś, czego na dobrą sprawę i tak nie słyszymy (a przecież mikrofon ma nam służyć właśnie do tego, żeby coś usłyszeć)? Nie mamy póki co za bardzo dużego pola manewru w operowaniu sygnałem, który bezpośrednio jest rozpoznawalny przez nasz organ słuchu, czyli falą dźwiękową. Łatwiej nam więc „przerobić” dźwięk na prąd, a z prądem już potrafimy o wiele więcej zrobić. Idąc dalej, co zresztą obserwujemy obecnie, jeszcze lepiej, jak przetworzymy ten przepływ prądu na liczby, czyli sygnał cyfrowy, bo tutaj mamy jeszcze większe pole do działania. Póki co i tak musimy zaprząc do tego prąd elektryczny (napięcie), którego poziom odwzorowują nam stany 0 lub 1, czyli wartości bitowe. Ale już coraz częściej do głosu dochodzi innych nośnik – światło – i, jak wierzyć doniesieniom, coraz bliżej jesteśmy komputera optycznego. To dopiero początek, kolejny krok to molekuły i biochemia. Ale odbiegliśmy od tematu.

Mikrofon przetwarza więc sygnał akustyczny na elektryczny, ale oczywiście od tego, jak tego dokonuje zależy bardzo wiele (czyli tak naprawdę jakość mikrofonu i wierność przetwarzania). Właśnie jednym z parametrów, dzięki któremu możemy w jakiś obiektywny sposób zaklasyfikować mikrofon pod względem „umiejętności” jego przetwarzania dźwięku na prąd, jest skuteczność. Parametr ten, tak naprawdę niewiele będzie nam mówił o jakości (czy wierności) przetwarzania. Jest on bowiem parametrem ilościowym, określającym proces przetwarzania, „wskazując na wartość otrzymanego efektu elektrycznego w odniesieniu do wartości ciśnienia akustycznego”. Bardziej po ludzku – z parametru tego możemy dowiedzieć się, jak dużo albo jak mocny sygnał elektryczny otrzymamy na wyjściu mikrofonu przy danym ciśnieniu akustycznym, padającym na element odbierający fale akustyczne (np. membranę). Możemy rozróżnić:

– skuteczność napięciową mikrofonu, mierzoną w V/Pa – wolt na paskal. Nazwano tak stosunek siły elektromotorycznej (inaczej napięcia między otwartymi zaciskami) mikrofonu do ciśnienia akustycznego równego 1 Pa, przy określonej częstotliwości i kierunku padania. Najczęściej jest to częstotliwość 1 kHz, kierunek padania prostopadle na membranę, źródło dźwięku w odległości 1 m od mikrofonu. A tak a’propos, jak wiadomo paskal jest jednostką ciśnienia. Niedawno spotkałem się z jednostką skuteczności opisaną jako V/mb. Chwilę mi zajęło, zanim doszedłem do wniosku, że nie jest to wolt na metr bieżący, ale na milibar, jednostkę również ciśnienia, ale nieczęsto u nas stosowaną (jeśli już, to w meteorologii).

– skuteczność prądową mikrofonu, wyrażoną w A/Pa, czyli amper na paskal. Jest to stosunek prądu płynącego między zaciskami mikrofonu, obciążonego impedancją znamionową, do ciśnienia akustycznego 1 Pa, w warunkach j.w. Prawdę mówiąc, na co dzień nie spotkałem się jeszcze ze stosowaniem w opisie mikrofonów użytkowych skuteczności prądowej, skupmy się więc na skuteczności napięciowej, a także na równie często stosowanym poziomie skuteczności, określany wzorem:

L_s = 20 x log ϑ/ϑ_o

w którym to wzorze ϑ to skuteczność (napięciowa lub prądowa), zaś ϑ_o to skuteczność odniesienia. Przyjmuje się za skuteczność odniesienia wartość 1 V/Pa, (w przypadku skuteczności prądowej 1 A/Pa).

ĆWICZENIA PRAKTYCZNE

Teraz coś praktycznego – jakie średnie wartości przyjmuje ten parametr dla najczęściej spotykanych mikrofonów? Otóż skuteczność (po angielsku nazwana sensitivity) jest zależna od typu mikrofonu, tj. czy jest to przetwornik należący do kategorii dynamicznych, czy pojemnościowych. Te pierwsze charakteryzują się mała skutecznością, w granicach od 1 do 3 mV/Pa (poziom skuteczności od -60 dBV do -50 dBV).

 

Zdarzają się też mikrofony mające skuteczność poniżej 1 mV/Pa, np. słynny Shure Beta 52, służący do nagłaśniania stopy, którego sensitivity wynosi tylko 0,63 mV/Pa (-64 dBV). Magicznych 3 mV/Pa raczej nie często udaje się przekroczyć w mikrofonach dynamicznych.

Mikrofony pojemnościowe mają nie tylko większe wartości skuteczności, ale też i szerszy „rozrzut”. Są mikrofony, które mają „ledwie” 6 mV/Pa (-44 dBV) – np. klasyk AKG C1000S, są też i takie, które mają grubo ponad 30 mV/Pa, a nawet powyżej 40 (ale to już raczej sporadyczne przypadki na tle tych najczęściej występujących). Średnio skuteczność mikrofonów pojemnościowych mieści się w granicach 10-25 mV/Pa (-40 do -32 dBV).

Są jednak i takie „perełki”, jak np. pojemnościowy mikrofon do stopy Shure Beta 91, którego skuteczność niewiele przekracza 1 mV/Pa.

 

Będąc już przy temacie warto znać jeszcze sposób przeliczania poziomu skuteczności na skuteczność. Często zdarza się w katalogach, że jest podane tyko np. -52 dBV (lub samo dB). Dla niewprawnych w decybelach niewiele 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:

ϑ = 10 ^(L_s/20)

Jak łatwo (mam nadzieję) policzyć –52 dBV odpowiada 2,5 mV/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, przynajmniej jeśli mamy na myśli urządzenie elektryczne lub elektroniczne, czyli generalnie korzystające z dobrodziejstw przepływu prądu. Dotyczy to nawet urządzeń cyfrowych, choć w mniejszym zakresie, niż analogowych. Każdy element elektroniczny, czy to tranzystor, czy dioda, czy nawet zwykły rezystor, są niestety źródłem szumu. To sprawia, że jakiekolwiek urządzenie elektroniczne oprócz przenoszenia sygnału, który podawany jest na jego wejście, „dorzuca” do niego mniej lub więcej chaotycznego, zajmującego prawie równomiernie całe dostępne pasmo częstotliwościowe sygnału, który my nazywamy szumem.

Jeżeli nasz sygnał użyteczny ma wartość napięcia niższą niż napięcie sygnału szumowego, praktycznie jest on już spisany na straty. Oczywiście są sposoby na wydobycie z szumu użytecznego sygnału, nawet w sytuacji, gdy sygnał ten niemalże całkowicie ginie w szumie, ale jest to stosunkowo czaso- i pracochłonne. Zasadniczo więc im sygnał użyteczny jest mocniejszy, tym ma większe szanse przebić się przez szumy własne urządzenia (w tym przypadku mikrofonu) i potem jest szansa dalej go przetwarzać. Widzimy więc, że jeśli skuteczność mikrofonu będzie większa, co przekłada się w linii prostej na to, że na jego wyjściu otrzymamy wyższe napięcie, tym większą mamy szansę na przetworzenie nawet bardzo cichych dźwięków (albo głośnych, ale źródła których znajdują się dość daleko od mikrofonu). To z kolei przekłada się na to, z jakiej odległości będzie nam ów mikrofon „zbierał” sygnały.

Co prawda szumy własne wyższej klasy urządzeń elektronicznych mają wartości kilkuset nV (1 nV = 0,000000001) lub pojedynczych µV (0,000001 V), zważmy jednak, że owe 2 mV/Pa, jakie otrzymamy na wyjściu przykładowego mikrofonu dynamicznego, uzyskamy wtedy, gdy nasz dźwięk, którego źródło znajduje się w odległości 1 m od mikrofonu, będzie miał ciśnienie akustyczne 1 Pa (spójrzmy jeszcze raz na definicję skuteczności napięciowej powyżej). Ciśnienie akustyczne 1 Pa niewiele nam mówi. Jest to takie ciśnienie, jakie wytworzy dźwięk o poziomie 94 dB. Lepiej? Chyba tak, ale dla tych, którzy liczby traktują jak zło koniecznie i nie naprzykrzają im się dodam, że poziom dźwięku 94 dB odpowiada mniej więcej głośnemu krzykowi (męskiemu, niewiasty krzyczą nie tylko głośniej, ale i przeraźliwiej) lub przejazdowi obok nas samochodu z uszkodzonym tłumikiem. Średni poziom konwersacji to ok. 70 dB, co odpowiada ciśnieniu akustycznemu równemu 0,63 Pa. Mnożąc to razy 2 mV/Pa otrzymujemy wartość napięcia na wyjściu mikrofonu równą 1,26 mV. Jeśli taki mikrofon zechcemy użyć np. do nagłośnienia chóru albo grupy instrumentów, ustawiając go w odległości większej niż 1 m, napięcie będzie jeszcze niższe. Mikrofony dynamiczne nie nadają się więc do nagłaśniania z większej odległości, nie takie zresztą jest ich zadanie. To jednak temat na inny artykuł.

Natomiast mikrofony o dużej skuteczności będą sprawiały problem innego rodzaju. Jeśli mamy mikrofon o skuteczności 40 mV/Pa, to przy 94 dB na jego wyjściu dostaniemy owe 40 mV. Dla niektórych wzmacniaczy to jest już dość dużo. A jeśli np. mamy dźwięk o poziomie 110 dB (co wcale nie jest znów tak dużo w dzisiejszych czasach), jego ciśnienie akustyczne wyniesie 6,3 Pa. W takiej sytuacji na wyjściu mikrofonu otrzymamy 252 mV, z czym niewiele wzmacniaczy da sobie radę, nie przesterowując wejścia. Dlatego mikrofony o dużej skuteczności często mają wbudowany tłumik wewnętrzny (np. -20 dB) właśnie po to, żeby już na wstępie zapobiegać takim sytuacjom.

ILOŚĆ NIE ZAWSZE PRZECHODZI W JAKOŚĆ

Sama skuteczność czy poziom skuteczności, jak już wspomniałem, niewiele powie nam o jakości przetwarzania. Jeśli chcemy wiedzieć czy nasz mikrofon przetwarzał będzie różnorakie dźwięki wiernie, bez tłumień i podbić, czyli bez zniekształceń częstotliwościowych, musimy sięgnąć do wykresu przedstawiającego skuteczność lub poziom skuteczności jako funkcję częstotliwości. Jak w każdym urządzeniu akustycznym, im ta charakterystyka ma bardziej płaski przebieg, bez górek i dolinek, oraz im jest szersza, tym lepiej. Ideał to oczywiście płaska linia w zakresie od 20 Hz do 20 kHz. Tak niestety w zasadzie się nie zdarza (nawet wysokiej klasy mikrofony pomiarowe nigdy nie mają charakterystyki idealnie liniowej). Często producent nie podaje jak przebiega charakterystyka, podaje tylko zakres częstotliwości, w którym poziom sygnału nie spada poniżej -3 dB i nie rośnie powyżej 3 dB od średniej wartości skuteczności (jeśli charakterystyka jest nazbyt „pagórkowata” za średnią wartość podaje się tą, zmierzoną dla częstotliwości równej 1 kHz). Bywa też, że nie bierze się pod uwagę owych +3 dB, w takim przypadku za częstotliwości graniczne przyjmuje się te, dla których poziom skuteczności spada o 3 dB. Mamy więc pewność, że w paśmie użytecznym nie mamy „dziur” większych niż -3 dB, nie możemy jednak mieć pewności, czy nie występują tam zbyt duże podbicia pewnych pasm. Dobrze jest więc, przed wyborem (zakupem) jakiegoś mikrofonu poszukać, bądź to w katalogach, bądź w internecie, jak wygląda charakterystyka naszego potencjalnego pomocnika w nagłaśnianiu.

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 czuły na dźwięki dochodzące z boku lub z tyłu. Więcej, wolelibyśmy, aby z tych kierunków mikrofon nie zbierał nam zbyt dobrze (inne instrumenty, zakłócenia, sygnał z monitorów, co będzie powodowało powstawanie sprzężenia). O tym wszystkich powie nam

KIERUNKOWOŚĆ

Własności kierunkowe mikrofonu są określane stosunkiem skuteczności przy dowolnym kącie padania fali dźwiękowej do skuteczności przy padaniu prostopadłym na element odbierający energię akustyczną.

Można to określić liczbą bez jednostki (jeśli wyrażamy skuteczność w mV/Pa) lub w dB (jeśli mamy do czynienia z poziomem skuteczności). Musimy też określić, o jaką kierunkowość nam chodzi, tzn. z jakiego kąta padania fali. Może być to kierunkowość przód-tył lub konkretnie w kątach np. kierunkowość z kierunku 45o (w stosunku do kierunku prostopadłego do membrany). Np. jeśli kierunkowość przód-tył naszego mikrofonu o skuteczności 2,5 mV/Pa wynosi 1/5, to skuteczność mikrofonu „od tyłu” wynosić będzie 0,3 mV/Pa. To oznacza, że poziom skuteczności z tego kierunku padania będzie wynosił -68 dB (pamiętamy, poziom skuteczności mikrofonu wynosi -52 dBV). W takim razie kierunkowość z kierunku przód-tył, wyrażona w dB, będzie różnicą tych dwóch wartości i będzie wynosiła -16 dB. O wiele więcej powie nam jednak przebieg kierunkowości w funkcji kąta padania fali, który nazywa się charakterystyką kierunkową mikrofonu. Dzięki temu znać będziemy różnicę w poziomach skuteczności dla wszystkich kątów, a nie tylko jednego wybranego kierunku. Charakterystyka taka wyznaczana jest oczywiście dla jednej wybranej częstotliwości. Aby wiedzieć więcej na temat kierunkowości mikrofonu wykreśla się taką charakterystykę dla kilku częstotliwości.

Ze względu właśnie na charakterystykę kierunkową mikrofony dzielimy na: wszechkierunkowe (charakterystyka dookólna), dwukierunkowe (ósemkowa), jednokierunkowe (kardioidalna lub nerkowa, superkardioidalna, hiperkardioidalna), wybitnie jednokierunkowe (o ostrej charakterystyce jednokierunkowej) oraz o regulowanej kierunkowości.

OD CZEGO ZALEŻĄ WŁAŚCIWOŚCI 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 mikrofonu jest wystawiona na działanie fali dźwiękowej tylko z jednej strony (druga strona jest zasłonięta np. przez obudowę), to reaguje ona na ciśnienie i mikrofon nazywamy ciśnieniowym. Jeśli rozmiary mikrofonu są znacznie mniejsze niż długość fali, ciśnienie akustyczne na powierzchni membrany jest niezależne od kierunku, z jakiego przybiega fala, więc siła wywierana na membranę jest taka sama dla wszystkich kierunków padania fali na mikrofon. W takiej sytuacji mikrofon ciśnieniowy jest wszechkierunkowy i jego charakterystykę kierunkowości nazywamy dookolną lub kołową. Oczywiście jest to charakterystyka wykreślona tylko w jednej płaszczyźnie, tak naprawdę jest to kula, w której centrum znajduje się mikrofon.

Przy dużych częstotliwościach (małych długościach fal), gdy rozmiary mikrofonu są tego samego rzędu, co długości fal, mikrofon ciśnieniowy traci własności wszechkierunkowe. Najbardziej „uprzywilejowanym” kierunkiem jest kierunek na wprost membrany. Z tych powodów mikrofony ciśnieniowe, które muszą być wszechkierunkowe w jak najszerszym zakresie częstotliwości, robi się możliwie małe w stosunku do długości najkrótszej fali.

Gdy element odbierający energię akustyczną jest poddany z obu stron działaniu fali akustycznej, wówczas wypadkowa siła działająca nań pochodzi od różnicy ciśnień akustycznych występujących po obu stronach elementu. Elementem odbierającym energię akustyczną może być membrana lub wstęga odsłonięta z obu stron, bądź dwie membrany odsunięte od siebie na pewną odległość i wystawione tylko zewnętrznymi powierzchniami na działanie fali. Ponieważ działanie tych mikrofonów zależy od różnicy ciśnień, czyli od gradientu ciśnień, nazywa się je gradientowymi, a czasem też prędkościowymi (gdyż gradient ciśnienia akustycznego jest proporcjonalny do prędkości cząstki powietrza). Charakterystyka kierunkowości mikrofonu gradientowego ma kształt ósemki i dlatego nazywa się ją ósemkową lub dwukierunkową.

Jeśli mikrofon ciśnieniowy i gradientowy o takich samych wartościach skuteczności połączy się szeregowo tak, aby ich napięcia na wyjściu dodawały się, otrzyma się mikrofon ciśnieniowo-gradientowy o charakterystyce kierunkowości przypominającą nerkę. Dlatego mikrofon taki nazywa się jednokierunkowym, a jego charakterystykę nerkową. Mikrofon, w którym stosunek skuteczności części „wszechkierunkowej” do skuteczności „ósemkowej” może być dowolnie zmieniany, nazywa się mikrofonem o regulowanej kierunkowości. Oczywiście w rzeczywistości nikt nie łączy ze sobą dwóch rodzajów mikrofonów, gdyż wtedy jego rozmiary byłyby kolosalne. Jak zbudowany jest w rzeczywistości mikrofon o charakterystyce kardioidalnej, mam nadzieję, że powiemy sobie już wkrótce w innym artykule.

Ostatnią grupę stanowią mikrofony wybitnie kierunkowe, których charakterystyki kierunkowości mają kształt bardzo wydłużonej połówki ósemki. Takie mikrofony otrzymuje się przez zastosowanie specjalnych elementów akustycznych, jak rury czy reflektory akustyczne, które skierowują fale dźwiękowe na element odbierający energię akustyczną. Mikrofony kierunkowe są stosowane zwłaszcza wtedy, gdy należy odebrać i przetworzyć dźwięki przychodzące tylko z wybranych kierunków. Dzięki ich właściwościom kierunkowym zostaje zmniejszony wpływ dźwięków niepożądanych jak szum, echo, pogłos i zakłócenia.

Piotr Sadłoń