Mikrofony małomembranowe kontra wielkomembranowe

Są niewielkie (a więc zajmują mniej miejsca w transporcie i nie rzucają się w oczy na scenie – co może być istotne), lekkie, z reguły bardziej odporne na trudy podróżowania i pracę w warunkach scenicznych, bardziej też odporne na przenoszenie zakłóceń z obudowy (a więc przeważnie nie wymagają stosowania specjalnych uchwytów antywstrząsowych), no i przeważnie są tańsze od wielkomembranowców.

A więc same plusy? Z logistycznego oraz czysto użytkowego punktu widzenia wygląda, że biją na głowę swoich większych (grubszych) braci. Aczkolwiek mikrofony wielkomembranowe często mają przełączaną charakterystykę kierunkową (w przypadku „paluszków” jest to raczej niespotykane), co pozwala lepiej dopasować je do warunków pracy – są więc pod tym względem bardziej uniwersalne. No dobrze, ale to wszystko były – jak dotychczas – kwestie „wygody” obsługi itp. Znacznie ważniejsze są jednak kwestie ich możliwości czy też jakości przetwarzania fal akustycznych na sygnał elektryczny. I tym różnicom między konstrukcjami przetworników dysponujących małymi i dużymi membranami przyjrzymy się bliżej w tym artykule.

OGÓLNIE RZECZ UJMUJĄC

różnice te można w dużym skrócie zawrzeć w tabelce, którą prezentujemy jako tabelę 1. Korzystając z materiałów udostępnionych przez firmę DPA na swojej stronie internetowej, prześledźmy teraz na przykładach, jak to wygląda liczbowo.

 

SZUMY WŁASNE

Jak już wiemy z poniższej tabelki, mikrofony wielkomembranowe charakteryzują się mniejszymi szumami własnymi, niż przetworniki z małymi membranami. Wynika to z faktu, iż szumy własne przetworników w dużej mierze spowodowane są tzw. ruchami Browna (chaotyczne ruchy cząstek w płynie, cieczy lub gazie, wywołane zderzeniami zawiesiny z cząsteczkami płynu). W przypadku mikrofonów cząsteczki powietrza bombardują membranę, „produkując” w ten sposób odpowiednik ciśnienia akustycznego szumów. Membrany o mniejszych średnicach zachowują się jak twarda, sztywna powierzchnia i cząsteczki powietrza uderzając w nią tracą więcej energii, wytwarzając w ten sposób większy poziom ciśnienia akustycznego, w odniesieniu do powierzchni i czułości membrany.

Spójrzmy na tabelę 2, gdzie gdzie przedstawione są wskaźniki poziomu szumów własnych przetworników o konkretnych średnicach membran.

 

CZUŁOŚĆ

Czułość dużych i bardziej podatnych membran jest generalnie większa niż membran mniejszych i bardziej sztywnych. Większe membrany łatwiej poddają się „rozruchowi”, również przy mniejszych poziomach ciśnienia akustycznego, przez co wytwarzają na wyjściu mocniejszy sygnał.

Znów prześledźmy to na konkretnych przykładach liczbowych (tabela 3).

 

MAKSYMALNY SPL

Maksymalny poziom ciśnienia akustycznego, jaki mogą przenieść przetworniki pojemnościowe, jest ograniczony przez dwa czynniki:

1. Kapsułę mikrofonową, w której odległość między membraną a płytką tylną przetwornika wespół ze sztywnością samej membrany określa, jak mocno może się ona wygiąć bez przekroczenia akceptowalnego progu zniekształceń w przetwarzanym sygnale dźwiękowym.

2. Napięcie zasilające przetwornik mikrofonu limituje wartość sygnału elektrycznego, który może być przezeń „przepuszczony” bez przesterowania (clipowania).

Logicznie rozumując, mniejsze i bardziej sztywne membrany powinny w pierwszym przypadku wykazywać się większą odpornością na „potraktowanie” ich dużymi ciśnieniami, i faktycznie logika nas nie zawodzi – mniejsze mikrofony potrafią przenieść dźwięki o większym natężeniu, a więc i większym poziomie ciśnienia akustycznego (patrz tabela 4).

 

PASMO PRZENOSZENIA

W zakresie niskich częstotliwości pasmo przenoszenia zarówno mikrofonów mało-, jak i wielkomembranowych jest mniej więcej takie samo. Dolna granica przenoszonych częstotliwości w mikrofonach ciśnieniowych jest ograniczona wielkością małego otworu, którego zadaniem jest zapobieganie wyginaniu się membrany przy zmianach ciśnienia atmosferycznego otoczenia. Otwór ten działa jak akustyczny filtr górnoprzepustowy, którego częstotliwość graniczna uzależniona jest od wymiarów otworu (średnicy i długości).

Z kolei górna granica pasma przenoszenia mikrofonów ciśnieniowych uzależniona jest od kilku czynników:

1. Duże membrany przy wyższych częstotliwościach wykazują tendencję do „łamania” się, przez co przestają pracować jak sztywny tłok (reagując na padające fale akustyczne całą swoją powierzchnią jednakowo). Zjawisko to jest dobrze znane z technik głośnikowych i jest powodem stosowania głośników o różnych średnicach do odtwarzania adekwatnego do ich możliwości fragmentu pasma częstotliwości.

2. Ciężar membrany (a w zasadzie jej bezwładność) przeciwdziała ruchom membrany przy wysokich częstotliwościach.

3. Dyfrakcje (ugięcia) fal wokół krawędzi kapsuły mikrofonowej również powodują ograniczenia w przetwarzaniu najwyższych częstotliwości przez mikrofon.

Konkluzja jest taka, iż przetworniki wyposażone w membranę o dużej średnicy wykazują większe ograniczenia pasma przenoszenia niż mikrofony małomembranowe. Ilustrują to wykresy z rysunku 1, pokazujące pasma przenoszenia dla naszych trzech przykładowych mikrofonów.

 

CHARAKTERYSTYKA KIERUNKOWA

Kiedy mikrofon zostaje umieszczony w polu akustycznym, sama jego obecność ma wpływ na przetwarzany przezeń dźwięk. Wynika to z akustycznych zjawisk, występujących wokół mikrofonu, ze względu na wielkość kapsuły, jej umieszczenie, kształt i rozmiar korpusu mikrofonu zawierającego przedwzmacniacz, a także konstrukcję siatki zabezpieczającej przetwornik.

Wszystkie mikrofony wszechkierunkowe zachowują swoją charakterystykę dookólną tylko do pewnej częstotliwości, powyżej której ich charakterystyka staje się coraz bardziej kierunkowa. Wynika to z faktu, iż fale dźwiękowe o wysokich częstotliwościach wpadające prostopadle i pod małym kątem od przodu mikrofonu zostają odbijane przez powierzchnię membrany przetwornika, powodując spiętrzenie i wzrost ciśnienia akustycznego (sumowanie fal wchodzących i wychodzących). Zjawisko to zachodzi wtedy, gdy długości fal są porównywalne lub mniejsze od średnicy membrany. Zależność pomiędzy wielkością membrany a kierunkowością dla wyższych częstotliwości ilustrują charakterystyki na rysunku 2.

 

ZAKRES DYNAMIKI

Mikrofony z mniejszą membraną przeważnie charakteryzują się większym zakresem przetwarzanych ciśnień akustycznych (zakresem dynamiki) niż mikrofony z większą membraną. Aby to wyjaśnić, musimy najpierw dowiedzieć się, jak oblicza się zakres dynamiki przetwornika.

Najpowszechniejszą (i najrozsądniejszą) metodą obliczania zakresu przenoszonych poziomów ciśnienia akustycznego jest ustalenie różnicy, w decybelach, pomiędzy poziomem szumów własnych i SPL, przy którym mikrofon przetwarza sygnały z określoną, maksymalną zawartością wyższych harmonicznych, czyli z określonym poziomem zniekształceń (THD). Wiemy już z wcześniejszych „podpunktów”, że poziom szumów własnych mikrofonów rośnie wraz ze zmniejszaniem się średnicy membrany, a z drugiej strony, jak maksymalny poziom SPL w tym przypadku wzrasta. Jeszcze raz, dla lepszego zilustrowania, zbierzmy to w tabeli 5.

Z uwagi na to, że wraz ze zmniejszaniem się średnicy membrany maksymalny SPL rośnie bardziej niż zwiększają się szumy własne, mikrofony małomembranowe charakteryzują się podobnym, a często nawet lepszym zakresem dynamiki niż przetworniki wielkomembranowe. Po prostu zakres dynamiki przesuwa się wyżej, ale pokrywa ten sam, albo większy, zakres.

KONKLUZJA

Na koniec podsumujmy w tabeli 6 wszystkie opisane wyżej parametry i spójrzmy na nie zbiorczo.

Jak widać, mikrofony z dużą membraną górują nad małomembranowcami tylko w dwóch aspektach – szumów własnych i czułości – a mikrofony małomembranowe lepiej wypadają pod względem przenoszonych ciśnień i częstotliwości, mniej zakłócają pole akustyczne i dysponują porównywalnym lub większym zakresem dynamiki. Mikrofony z membraną średnią są – jak to średniaki – pomiędzy tymi dwoma. Czy to oznacza, że mikrofony wielkomembranowe są – w ogólnym rozrachunku – gorsze od małomembranowych? Podejrzewam, że gros realizatorów, szczególnie studyjnych, puka się teraz w głowę. I owszem, mikrofony wielkomembranowe uznawane są za te najwyższej jakości i klasy (co też odzwierciedla się w ich cenie) i żadne szanujące się studio nagrań, nawet domowe, nie obejdzie się bez kilku (a te budżetowe przynajmniej jednego) ich przedstawicieli.

I rzeczywiście, fakt oferowania dużej czułości i małych szumów własnych oraz większa precyzja w przetwarzaniu, szczególnie niższych częstotliwości, sprawia, że do studia są to wymarzone przetworniki (ale jednak nie do wszystkiego). Z drugiej strony lepsza stabilność charakterystyki kierunkowej przetworników małomembranowych sprawia, że jeśli rzeczywiście zależy nam na zbieraniu dźwięków z szerokiego planu – możliwie jak najwierniej, bez ubytków w górze pasma dźwięków dochodzących z tyłu lub z boku – lepiej sprawdzą się one w tej roli od „większych braci”.

Jeśli zaś spojrzymy na te mikrofony pod kątem wykorzystania ich na scenie, to dodając do wspomnianych na wstępie zalet egronomiczno-użytkowych fakt przenoszenia większych poziomów ciśnień wyjdzie nam, że jednak częstszym gościem na scenach koncertowych, festiwalowych itp. będą mikrofony małomembranowe, choć i dla tych z dużymi membranami znajdzie się miejsce. Aczkolwiek ich użytkowanie będzie wymagało większej staranności, bo też i w przypadku ich uszkodzenia strata finansowa będzie większa, niż w przypadku tańszych „paluszków”. A fakt większych szumów własnych w przypadku pracy „live” raczej nikomu przeszkadzać nie powinien.

Reasumując – dla każdego coś miłego. Wiecie już, czym charakteryzują się jedne, a czym drugie mikrofony, jakie są ich mocniejsze i słabsze strony, a teraz sami zadecydujcie, które z nich chętniej będziecie zabierać ze sobą w trasę.

Piotr Sadłoń