Headroom - Współpraca mikrofonu z preampem

Z pozoru współpraca jednych z drugimi (mikrofonów z przedwzmacniaczami) to żadna filozofia – wystarczy podłączyć kabel mikrofonowy do wejścia preampu, pokręcić „gainem” aż do momentu, gdy czerwona dioda CLIP zacznie coraz ochoczej pobłyskiwać i... pozamiatane. Niestety, nie ma tak łatwo – czyste, klarowne i pozbawione szumów brzmienie będzie wymagało od nas znajomości pewnych parametrów, tak mikrofonu, jak i przedwzmacniacza – oraz umiejętności ich odpowiedniej interpretacji i wykorzystania „w boju”.

W CZYM PROBLEM

Dobierając odpowiedni przedwzmacniacz do mikrofonu, lub na odwrót – mikrofon do przedwzmacniacza – musimy przede wszystkim kontrolować tzw. headroom, czyli zapas dynamiki, zadając sobie kluczowe pytanie: czy mam go wystarczająco dużo? Oczywiście problemów dotyczących współpracy tych urządzeń jest więcej, np. jaki preamp będzie miał wpływ na charakterystykę szumową mikrofonu, właściwy dobór impedancji wejściowej itp. Obecny trend jest taki, iż wejścia przedwzmacniaczy charakteryzują się stosunkowo wysoką impedancją, rzędu kilku 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 W), 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, stałej 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 naszego podstawowego problemu, którym chciałbym zająć się w tym artykule.

HEADROOM

Czym jest headroom? Niczym innym jak stosunkiem możliwie największego, wolnego od zniekształceń sygnału, który przepuszczany jest przez urządzenie lub system nagłośnieniowy do uśrednionego poziomu tego sygnału, wyrażony w decybelach. Jeśli przykładowo średni poziom sygnału wynosi +4 dBu, a poziom największy wynosi +26 dBu, to posiadana do dyspozycji rezerwa to 22 dB. No dobrze, tylko co z tych „wyliczanek” konkretnie wynika i czy warto w ogóle zaprzątać sobie nimi głowę?

Z pewnością nie tylko warto, ale wręcz należy! Prowadzone porównania wielu różnych sygnałów audio dowiodły, że muzyka jest najbardziej dynamicznym sygnałem, charakteryzującym się największym, bo 4-10 Crest Factor (czyli współczynnik szczytu). Crest Factor jest to stosunek wartości maksymalnej (szczytowej) do wartości RMS (Root Mean Square), czyli wartości średniej sygnału.
Bezsprzecznie pewnym jest to, że headroom stanowi swego rodzaju „strefę bezpieczeństwa”, do której trafiają wartości szczytowe sygnału po przekroczeniu zakresu, w którym normalnie operujemy, nie wykraczając jednocześnie poza zakres możliwości przetwarzania sygnału przez system, czego najczęstszym objawem jest „clip”. Czym jest clip? Jest to kolejne określenie dla stanu przesterowania sygnału. Zjawisko takie ma miejsce, gdy poziom sygnału audio osiąga wartość napięciowego lub prądowego limitu możliwości dla wyjścia danego urządzenia, na przykład przedwzmacniacza. Clip, sam w sobie, jest zjawiskiem nieszkodliwym. Powoduje on natomiast generowanie drastycznych zniekształceń, a te przyczyniają się do wzmożonego przyrostu wydzielania ciepła we wzmacniaczach, blokach zasilaczy, no i oczywiście w cewkach przetworników. Do czego prowadzi taki permanentnie podtrzymywany stan, nietrudno chyba przewidzieć.

 

 

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).

 

Czułość		Maksymalny Poziom Ciśnienia Akustycznego (Max. SPL) @ 1 kHz
mV/Pa	dBu	120	122	124	126	128	130	132	134	136	138	140	142	144	146	148	150
2	-52	-26	-24	-22	-20	-18	-16	-14	-12	-10	-8	-6	-4	-2	0	2	4
4	-46	-20	-18	-16	-14	-12	-10	-8	-6	-4	-2	0	2	4	6	8	10
6	-42	-16	-14	-12	-10	-8	-6	-4	-2	0	2	4	6	8	10	12	14
8	-40	-14	-12	-10	-8	-6	-4	-2	0	2	4	6	8	10	12	14	16
10	-38	-12	-10	-8	-6	-4	-2	0	2	4	6	8	10	12	14	16	18
12	-36	-10	-8	-6	-4	-2	0	2	4	6	8	10	12	14	16	18	20
14	-35	-9	-7	-5	-3	-1	1	3	5	7	9	11	13	15	17	19	21
16	-34	-8	-6	-4	-2	0	2	4	6	8	10	12	14	16	18	20	22
18	-33	-7	-5	-3	-1	1	3	5	7	9	11	13	15	17	19	21	23
20	-32	-6	-4	-2	0	2	4	6	8	10	12	14	16	18	20	22	24
22	-31	-5	-3	-1	1	3	5	7	9	11	13	15	17	19	21	23	25
24	-30	-4	-2	0	2	4	6	8	10	12	14	16	18	20	22	24	26
26	-29	-3	-1	1	3	5	7	9	11	13	15	17	19	21	23	25	27
28	-29	-3	-1	1	3	5	7	9	11	13	15	17	19	21	23	25	27
30	-28	-2	0	2	4	6	8	10	12	14	16	18	20	22	24	26	28
32	-28	-2	0	2	4	6	8	10	12	14	16	18	20	22	24	26	28
34	-27	-1	1	3	5	7	9	11	13	15	17	19	21	23	25	27	29
36	-27	-1	1	3	5	7	9	11	13	15	17	19	21	23	25	27	29
38	-26	0	2	4	6	8	10	12	14	16	18	20	22	24	26	28	30
40	-26	0	2	4	6	8	10	12	14	16	18	20	22	24	26	28	30
42	-25	1	3	5	7	9	11	13	15	17	19	21	23	25	27	29	31
44	-25	1	3	5	7	9	11	13	15	17	19	21	23	25	27	29	31
46	-25	1	3	5	7	9	11	13	15	17	19	21	23	25	27	29	31
48	-24	2	4	6	8	10	12	14	16	18	20	22	24	26	28	30	32
50	-24	2	4	6	8	10	12	14	16	18	20	22	24	26	28	30	32

Tabela 1. Maksymalny poziom wyjściowy mikrofonów (dBu).

 

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 znajdzie się w polu akustycznym o poziomie ciśnienia równym 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 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 konsoleta a nie inną) – nieco mniej czuły mikrofon.

Konkludując, im przedwzmacniacz akceptuje wyższy poziom sygnału na wejściu tym łatwiej  uzyskamy czysty, niezniekształcony i – co akurat w tym artykule nie poruszaliśmy – 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!