Mikrofony II - Mikrofony dynamiczne – zasada działania, wady i zalety

Wiemy już, że mikrofony dynamiczne mają zasadniczo mniejszą (czasami znacząco mniejszą) skuteczność od swoich „pojemniejszych” braci. Również pasmo przenoszenia jakoś przeważnie jest szersze i bardziej płaskie w „pojemnikach” niż „dynamikach”. Czy w takim razie mikrofony dynamiczne mają jakieś zalety usprawiedliwiające w dalszym ciągu bardzo powszechne ich używanie? I owszem, np. cena (choć też nie do końca, bo obecnie można kupić mikrofony pojemnościowe w cenie dynamicznych), ale nie tylko. Może jednak po kolei. Przyjrzyjmy się nieco bliżej jednym i drugim, poznajmy ich budowę, wady i zalety, a uzbrojeni w taką wiedzę sami wybierzemy, z którym z nich będziemy chcieli zawrzeć bliższą znajomość.

DYNAMICZNY CZYLI MAGNETOELEKTRYCZNY

Mikrofon dynamiczny inaczej nazywamy magnetoelektrycznym. Jeśli ktoś wie co nieco o najpopularniejszych (wciąż) głośnikach dynamicznych, zauważy podobieństwo w nazewnictwie. Jak się okazuje, nie jest ono nieuzasadnione – zarówno głośnik dynamiczny, jak i mikrofon dynamiczny działają w sumie na tej samej zasadzie, tyle że „odwrotnie”. Ale zacznijmy od podstaw. Jak zbudowany jest taki mikrofon? Otóż podobnie, jak głośnik dynamiczny. Ktoś zapyta, ale jak jest zbudowany głośnik dynamiczny? I tu już nie mogę napisać: „otóż podobnie, jak mikrofon dynamiczny”, gdyż po takim stwierdzeniu jako Redaktor Naczelny musiałbym sobie podziękować za współpracę. Rozszyfrowanie nazwy już wiele nam powie o budowie i zasadzie działania takiego mikrofonu. Mamy tu „magneto- -elektryczny”, a więc będzie to miało coś wspólnego z magnetyzmem i elektrycznością. I ma. Z magnetyzmem dlatego, że elementem składowym jest między innymi magnes trwały, z elektrycznością – ponieważ bez cewki, przez którą popłynie prąd, nijak się nie obejdzie. A czy mamy też coś z związanego z dynamiką? Na to też jest wytłumaczenie – do przetwarzania fali akustycznej na elektryczną wykorzystuje się tu bowiem zjawisko elektrodynamiczne. Przejdźmy do konkretów.

 

MAGNES, CEWKA – NIEODŁĄCZNA PARA

Najogólniej rzecz ujmując mikrofon dynamiczny składa się z magnesu trwałego, cewki (czyli zwiniętego przewodu) i membrany.

Membrana wykonana jest z cienkiego i lekkiego materiału i jest „na stałe” przymocowana do cewki. Ta z kolei jest umieszczona i porusza się w polu magnetycznym magnesu trwałego. Fala akustyczna, czyli de facto jakiś dźwięk „nadawany” np. przez wokalistę lub instrument, pada na membranę, która porusza się w zależności od tego jak „mocna” będzie to fala. Pamiętajmy, że do membrany przymocowana jest cewka, znajdująca się w polu magnetycznym, która też będzie się poruszała zgodnie z ruchem membrany. Ze szkoły zaś (być może) pamiętamy, że jeśli na przewód znajdujący się w polu magnetycznym działa siła, powodując jego ruch w tymże polu, to na jego końcach (inaczej na zaciskach) indukuje się siła elektromotoryczna (czyli w uproszczeniu – napięcie). Jakie to będzie napięcie zależeć będzie między innymi od owej „mocy” fali dźwiękowej, ale też i od jej częstotliwości. Oprócz tego na wartość tegoż napięcia mają wpływ własności fizyczne mikrofonu, czyli indukcja magnetyczna, uzyskana w szczelinie magnesu, a także długość przewodu. Ogólnie opisać można to prostym wzorem:

E = Blv

gdzie:
E – wartość skuteczna siły elektromotorycznej wyrażona w woltach [V],
B – indukcja magnetyczna w szczelinie, w której porusza się cewka, określana w teslach [T],
l – długość całkowita przewodu cewki (lub wstęgi – w mikrofonach wstęgowych, o których też powiemy sobie co nieco) w metrach [m],
v – wartość skuteczna prędkości drgań przewodu w metrach na sekundę [m/s],

Zaraz, zaraz, mowa była, że wartość napięcia (amplitudy, skuteczności) na wyjściu zależy od ciśnienia i częstotliwości, a z powyższego wzoru nic takiego nie wynika. To prawda, ale... w mikrofonach dynamicznych, jak wynika ze wzoru, napięcie na zaciskach jest wprost proporcjonalne do prędkości drgań membrany. Dlatego mikrofony dynamiczne nazywa się też czasem przetwornikami prędkościowymi. Aby więc uzyskać płaską charakterystykę częstotliwościową (a tak naprawdę to charakterystykę amplitudową lub częściej charakterystykę skuteczności w funkcji częstotliwości) prędkość membrany musi być stała, przy stałym ciśnieniu działającym na tę membranę (dla wszystkich interesujących nas częstotliwości). Fale akustyczne o większym ciśnieniu (mocniejsze) będą powodowały większe wychylenia membrany a więc nadawały będą jej większą prędkość. Podobnie jest z częstotliwością – dla wyższych częstotliwości będzie ona drgała szybciej, niż dla niższych. A więc z tego wynika, że wychylenia membrany będą malały wraz ze wzrostem częstotliwości, aby zachować stałą prędkość, a tym samym płaską charakterystykę skuteczności lub napięcia na wyjściu.

I jeszcze dwa zdania o zniekształceniach wprowadzanych przez mikrofon dynamiczny. Jak w każdym urządzeniu elektronicznym, nie jesteśmy w stanie ustrzec się od pewnych nieliniowości w przetwarzaniu sygnału (w naszym przypadku akustycznego na elektryczny), a więc musimy liczyć się z tym, że na wyjściu mikrofonu pojawiać się będzie sygnał w mniejszym lub większym stopniu zniekształcony. W jakim to będzie stopniu zależy już od projektu i wykonania konkretnego typu mikrofonu. Ogólnie rzecz ujmując, zniekształcenia nielinearne mikrofonów magnetoelektrycznych są spowodowane nielinearnością elementów akustycznych i mechanicznych oraz nierównomiernością pola magnetycznego w szczelinie magnesu.

KIERUNKOWOŚĆ

Mikrofony dynamiczne mogą być zarówno wszechkierunkowe, dwukierunkowe, jednokierunkowe, jak i o przełączanej charakterystyce kierunkowości – w zależności od budowy. Nas najbardziej interesują mikrofony kierunkowe, bo w przeważającej większości z nimi będziemy mieć do czynienia na scenie. Im więc przyjrzymy się nieco bliżej.

Tak po prawdzie, to mikrofon np. a charakterystyce kardioidalnej z pozoru ma budowę niemal identyczną do mikrofonu o charakterystyce dookólnej. I tu niespodzianka, wydawałoby się, że mikrofon kierunkowy powinien odbierać tylko dźwięki dochodzące z przodu. I to się zgadza. Nie oznacza to jednak bynajmniej, że tylko przednia część membrany powinna być aktywna, a tylna zasłonięta. Tak jest, i owszem, ale jakby na przekór „zdrowemu rozsądkowi” w mikrofonach dookólnych. Aby zbudować mikrofon magnetoelektryczny o charakterystyce kardioidalnej tył membrany nie może być całkowicie zasłonięty. Jest to więc jakby „wersja pośrednia” pomiędzy mikrofonem gradientowych (w którym membrana jest odsłonięta z obu stron), a mikrofonem ciśnieniowym (w którym membrana jest zasłonięta z jednej strony). W przypadku padania fali dźwiękowej z tyłu mikrofonu, czyli z kierunku 180o, membrana w mikrofonie jednokierunkowym nie wykonuje żadnych drgań i skuteczność mikrofonu jest równa zeru (w sytuacji idealnej). Dla kierunku zaś padania „od czoła” membrana będzie wykonywać największe ruchy i mikrofon będzie miał wtedy największą skuteczność. To wszystko dzięki układowi opóźniającemu, składającemu się ze szczelin, przez które dostaje się fala dźwiękowa na tylną stronę membrany. Dlatego trzymanie mikrofonu przez wokalistę tuż pod „główką”, ulubione zwłaszcza przez hip-hopowców (ale nie tylko), powoduje zasłanianie owych szczelin, co z kolei może powodować powstawanie sprzężeń. Zmienia się bowiem w ten sposób charakterystykę kierunkowa mikrofonu, chroniącą nas przez tego typu nieprzyjemnymi zjawiskami, na charakterystykę zbliżoną do dookólnej, a więc taką, przy której mikrofon wyłapuje dźwięki nie tylko z przodu, ale też i z tyłu czy z boku. Wystrzegajmy się zatem takiego trzymania mikrofonu, jeśli nie chcemy słyszeć częstego pisku w monitorach, które wcale nie musi być winą realizatora monitorów.

Trzeba jeszcze wspomnieć, że mikrofony kierunkowe magnetoelektryczne istnieją też jako mikrofony dwuczęściowe (jako połączenie mikrofonu ciśnieniowego i gradientowego). Jednakże takie rozwiązane stosuje się częściej jeśli mamy do czynienia z mikrofonem o przełączanej charakterystyce kierunkowości. Z kronikarskiego obowiązku wspomnieć też trzeba o istnieniu mikrofonu dynamicznego o charakterystyce dwukierunkowej (ósemkowej). Nie należy on bynajmniej do popularnych „typów” wśród mikrofonów magnetoelektrycznych, ale krótkie omówienie go będzie pretekstem do przedstawienia mikrofonu, który ostatnio wraca do łask. Jest to w dalszym ciągu mikrofon magnetoelektryczny, ale taki, w którym nie ma membrany. Zamiast niej stosuje się cienki pasek w postaci wstęgi, toteż mikrofon ten nazywa się

MIKROFONEM WSTĘGOWYM

W takich mikrofonach wstęga (cienki pasek folii metalowej) pełni rolę zarówno elementu odbierającego fale akustyczne (membrany), jak i przewodu elektrycznego (cewki). Wstęga jest zawieszona w polu magnetycznym między dwoma nabiegunnikami i jest odsłonięta z obu stron. Jest ona połączona bezpośrednio z uzwojeniem pierwotnym transformatora wyjściowego, dopasowującego małą impedancję wstęgi (ok. 0,1 oma) do impedancji kabla (rzędu 200-300 omów) łączącego mikrofon ze wzmacniaczem. Nie wdając się w szczegółowe opisy fizyczno-matematyczne działania mikrofonu wstęgowego powiem tyle, że mikrofony gradientowe wstęgowe mogą osiągnąć naprawdę dobre parametry, zarówno częstotliwościowe, jak i kierunkowe. Ale mikrofon wstęgowy nie jest bynajmniej skazany tylko i wyłącznie na „dwukierunkowość”. Są też mikrofony wstęgowe jednokierunkowe, w których kierunkowość charakterystyki osiąga się poprzez odpowiednie ukształtowanie padania fali na wstęgę.

 

PODSUMUJMY

Mikrofony magnetoelektryczne (dynamiczne) mogą występować zarówno jako wszechkierunkowe, dwukierunkowe, z przełączaną charakterystyką, jak i jednokierunkowe, z tym, że najliczniejszą grupę tworzą (i najczęściej spotykane są) te ostatnie. Odkręcając „główkę” takich mikrofonów jak Shure SM 58 czy SM 57, AKG D7, Sennheisera e855 czy jakikolwiek inny mikrofon dynamiczny możemy „naocznie” stwierdzić jak zbudowany jest taki mikrofon. Tylko OSTROŻNIE! Szczególnie z membraną – nie dotykać palcami czy, nie daj Boże, czymś ostrym (nie wciskać czaszy membrany, sprawdzając czy wyskoczy, czy zostanie wklęśnięta!).

Mikrofony dynamiczne charakteryzują się stosunkowo małą skutecznością, np. w porównaniu do mikrofonów pojemnościowych, o których napiszemy za miesiąc. Jak już wspomniałem w poprzednim odcinku, skuteczność mikrofonów dynamicznych zawiera się w granicach od 1 do 3 mV/Pa (poziom skuteczności od -60 dBV do -50 dBV). Może być oczywiście mniejsza (i to się zdarza), ale raczej nie większa. Natomiast dużą ich zaletą jest odporność na wszelkiego rodzaju uderzenia, upadki i inne zdarzenia, po których np. mikrofon pojemnościowy może odmówić współpracy, a „dynamik” – choć poobijany i potłuczony – będzie w dalszym ciągu pracował prawie jak nowy. Pomimo tego nie znaczy to, że można go zostawiać gdzie popadnie, nie troszcząc się, że zgodnie z prawem powszechnego ciążenia może on sturlać się (czemu sprzyjają zasadniczo obłe kształty mikrofonów) i z mniejszej lub większej wysokości upaść. Nie należy też traktować go jak buzdygan, wywijając nim na różne strony, a tym bardziej (o zgrozo!!) trzymając za kabel. Do niedawna też przewagą mikrofonów dynamicznych nad pojemnościowymi był ich większy poziom ciśnienia akustycznego (dźwięku), jakie mikrofon ten może przenieść bez zniekształceń. Obecnie jednak również mikrofony pojemnościowe potrafią „znieść” nawet 130 dB i więcej. No, i nie należy zapominać, iż mikrofony dynamiczne mają tę przewagę nad pojemnościowymi, że nie potrzebują do pracy żadnego zasilania, czy to zewnętrznego (Phantom), czy z jakiejś bateryjki (cy cuś).

Piotr Sadłoń

---

Więcej o mocnych i słabych stronach mikrofonów dynamicznych w porównaniu do pojemnościówek w kolejnym numerze, kiedy dowiemy się czegoś więcej o tych drugich.