Mikrofon

Als Mikrofon bezeichnet man einen Sensor im Schallfeld, der akustische Schwingungen im üblichen Medium Luft in entsprechende elektrische Spannungs-Signale wandelt. Umgangssprachlich wird das Gerät auch Mikro oder Mic genannt.

In der gängigen Bauform folgt eine dünne, elastisch gelagerte Membran den Druckschwankungen des Schalls. Sie bildet durch ihre Bewegung die zeitliche Verteilung des Wechseldrucks nach. Ein Wandler, mechanisch oder elektrisch mit der Membran gekoppelt, generiert daraus eine der Membranbewegung entsprechende Wechselspannung.

Das Wandlerprinzip entscheidet dabei vor allem über Qualitäten des elektrischen Signals: Signalrauschen, Impulstreue, Klirrfaktor. Die am meisten verbreiteten Wandler sind das Elektretmikrofon, das Dynamische Mikrofon und das Kondensatormikrofon.

Von der akustischen Bauform des Mikrofons abhängig folgt die Wandlung dabei dem Schalldruck (Druckmikrofon, ungerichtetes Mikrofon) oder dem Schalldruckgradienten (Druckgradientenmikrofon, gerichtetes Mikrofon). Die richtungsabhängige Empfindlichkeit, die Richtcharakteristik, wird im Polardiagramm dargestellt.

Dynamische Gesangsmikrofone Shure SM58 und SM58 beta

Geschichte des Mikrofons

altes Grundig Mikrofon

Die Entwicklung des Mikrofons ging Hand in Hand mit der Entwicklung des Telefons.

Im Jahre 1863 präsentierte Philipp Reis vor der „Physikalischen Gesellschaft“ einen Schallwandler: Sein Telefon benutzte zur Schallwandlung eine Membran aus Schweinsdünndarm, die über einen Platinkontakt ein einfaches Ein/ Aus- Signal generierte (Kontaktwandler, Prinzip Wackelkontakt). Zur kommerziellen Nutzung war Reis' Erfindung allerdings nicht geeignet.

Kohlemikrofonkapsel, 1976

Die Erkenntnis, dass Kohlekörner die Schwingung der Membran besser als ein einfacher Kontakt in elektrische Impulse umsetzen können, führte Ende des 19. Jahrhunderts zur Entwicklung des Kohlemikrofons. Als Erfinder des Kohlemikrofons gilt David Edward Hughes, der seine Entwicklung erstmals am 9. Mai 1878 in der Königlichen Akademie in London öffentlich vorstellte. Dem waren Arbeiten von Edison und Berliner vorangegangen. Noch im gleichen Jahr verbesserte der Engländer Henry Hunnings das Mikrofon, indem er anstatt von Kohlestäben Kohlekörner verwendete. Das Kohlemikrofon in der Form, in der es dann im Prinzip die nächsten 100 Jahre nicht mehr verändert wurde, konstruierte Anthony C. White im Jahre 1890. Dieses „Kohlekörner-Mikrofon“ war als Studiomikrofon bis in die 1940er Jahre in Gebrauch; es gilt heute als erstes „richtiges“ Mikrofon und wurde erst vom Kondensatormikrofon (s.u.) verdrängt.

Der Vorläufer des elektrodynamischen Mikrofons ist der elektromagnetische Wandler; beide nutzen das Induktionsgesetz zur Schallwandlung. Der italienische Ingenieur Antonio Meucci entwickelte 1860 ein Telefon auf Basis des elektromagnetischen Wandlers und meldete es 1871 in den USA zum Patent an. Der heute meist als Erfinder angegebene schottische Taubstummenlehrer Alexander Graham Bell meldete ein technisch gleichartiges Patent am 14. Februar 1876 an: Meuccis Patent war inzwischen verfallen, und es ist zu vermuten, dass Bell Meuccis Entwicklung kannte. Der amerikanische Physiker Elisha Gray entwickelte ebenfalls ein Telefon, war mit seiner Patentanmeldung aber zwei Stunden langsamer als Bell. Der Hannoveraner Emil Berliner verbesserte schließlich Bells Telefon mit einem neuartigem Mikrofon; seine Erfindung datiert vom 4. März 1877. Berliner arbeitete damals für die Bell Company (seit 1925 Bell Labs, später AT&T, heute Lucent Technologies).

Weitere Namen, die in der Entwicklung des Mikrofons auftauchen, sind: Thomas Alva Edison, David Edward Hughes, Sidney Shure, Fritz Sennheiser, Eugen Beyer, Georg Neumann.

Kondensatormikrofon Neumann U87)

Georg Neumann entwickelte im Jahr 1923 das Kohlemikrofon bedeutend weiter. Dadurch wurde die Klangqualität besonders bei tiefen Frequenzen stark verbessert. Der Durchbruch gelang ihm jedoch mit der Entwicklung des NF-Kondensatormikrofons (erstes funktionstüchtiges Serienmodell: CMV3, die „Neumann-Flasche“). Membran und Gegenelektrode bilden hierbei einen Kondensator, der auf eine Gleichspannung aufgeladen wird; durch die Membranbewegung ändert sich die Kondensatorkapazität, aus der das Signal gewonnen wird. Dieses Wandlerprinzip ist auch heute noch Standard für Mikrofone höchster Qualität und war der Schallaufzeichnungstechnik seiner Zeit weit voraus.

1928 gründete Georg Neumann zur Vermarktung seines Kondensatormikrofons eine Firma, die noch heute zu den führenden Qualitäts-Mikrofonherstellern gehört. Legendär ist das erste Mikrofon mit elektrisch umschaltbarer Richtcharakteristik, das Neumann U47 von 1949. Es zählt auch heute noch zu den begehrtesten und teuersten Mikrofonen: Ein funktionsfähiges, gut erhaltenes U47 wird für rund 5.000 Euro gehandelt.

1962 erfanden Gerhard Sessler und James E. West das Elektret-Mikrofon, eine Variante des NF-Kondensatormikrofons mit elektrisch geladenen Polymerfolien im Wandler, das heute mit 90% Marktanteil den häufigsten Mikrofontyp darstellt. G. Sessler erfand in 1980er Jahren an der TH Darmstadt auch das Silizium-Mikrofon.

Wichtige Hersteller von dynamischen Mikrofonen: Shure (SM58: weltweit meistverkauftes Bühnenmikrofon), Electrovoice, Sennheiser, Beyerdynamic (Spezialität: Bändchenmikrofone). Wichtige Hersteller von Kondensatormikrofonen: Neumann (gehört seit den 80er Jahren zur Fa. Sennheiser) , Sennheiser (Spezialität: HF-Kondensatormikrofone), Microtech Gefell (ehemals Neumann Gefell im Vogtland), Schoeps, Danish Pro Audio (ehemals Brüel & Kjaer). Wichtige Hersteller von Messmikrofonen: Brüel & Kjaer, GRAS, Microtech Gefell, Norsonic.

Mikrofonrichtcharakteristik (Richtcharakteristik)

In der Mikrofontechnik beschreibt die Richtcharakteristik als Polardiagramm die Empfindlichkeit eines Mikrofons als Ausgangsspannung in Abhängigkeit vom Schalleinfallswinkel. Man kann dabei zwischen den Verhältnissen im Direktfeld und im Diffusfeld differenzieren. Der Richtcharakter hängt ab von der Bauform der Mikrofonkapsel und von äußeren Formelementen (z. B. Richtrohr). Die Stärke der Richtwirkung beschreibt man mit dem Bündelungsgrad bzw. dem Bündelungsfaktor.
Die Richtwirkung ist durch charakteristische Muster gekennzeichnet:

• Kugel (Kugelcharakteristik = ungerichtet)
• Acht (Achtercharakteristik = Dipol, vorne und hinten gegensätzliche Polarität)
• Keule (Keulencharakteristik, Richtrohr)

Mischformen sind:

• Niere (Mischung aus Kugel und Acht)
• Breite Niere (Breite Nierencharakteristik)
• Superniere (Supernierencharakteristik)
• Hyperniere (Hypernierencharakteristik)

Kugel (engl. Omnidirectional)	Acht (engl. Figure Eight, Bidirectional)	Breite Niere (engl. Subcardioid)	Niere (engl. Cardioid)	Hyperniere (engl. Hypercardioid)	Keule (engl. Directional)

Die Richtwirkung ist ausschließlich von der akustischen Bauform der Kapsel, nicht von dem zugrundeliegenden Wandlerprinzip abhängig. Ein reines Druckmikrofon (auch: Druckempfänger) besitzt keine Richtwirkung, also eine kugelförmige Richtcharakteristik (omnidirektional). Ein Druckgradientenmikrofon (auch: Druckgradientenempfänger) in seiner reinen Form (z.B. Bändchenmikrofon) liefert als Richtcharakteristik eine Acht (die richtungsabhängige Kraft auf die Membran verläuft cosinusförmig; der Cosinus im Polardiagramm hat die Form einer Acht). Durch spezielle Konstruktion der Kapsel oder durch elektrische Mischung der Signale zweier dicht benachbarter Kapseln erhält man Richtcharakteristiken zwischen Kugel und Acht. Als standardisierte Zwischenformen zwischen Kugel- und Achtercharakteristik gibt es „breite Niere“, „Niere“, „Superniere“ und „Hyperniere“.

Die Richtcharakteristik „Keule“ wird nicht aus der Überlagerung von Kugel und Acht gewonnen, sondern durch das Prinzip des Interferenzrohres (Richtrohr; Schallrichtungsabhängige Auslöschungen durch akustisch wirksame Laufzeitelemente). Die Keule nimmt nach vorne hin höhere Frequenzen nur in einem sehr engen Bereich auf. Diese Richtcharakteristik ist also stark frequenzabhängig. Nach hinten ist die Aufnahmeempfindlichkeit geringer und diffus, d.h. „unbestimmbar“.

Aufgrund von komplexeren Verhältnissen in der Praxis weicht der reale Richtcharakter, der zudem noch frequenzabhängig ist, fast immer von diesen theoretischen Mustern individuell ab. Hersteller geben die gemessenen Werte daher oft in einem Polardiagramm an. Siehe: Poardiagramme von Mikrofon-Richtcharakteristiken als Excel-Darstellung - linear und im dB-Maßstab.

Die Richtcharakteristik von Mikrofonen wird in reflexionsarmen Räumen im Direktfeld D gemessen, selbst wenn die Keulen-Mikrofonrichtcharakteristik, wie bei einem Richtrohrmikrofon nur im Raumfeld R oder Diffusfeld angewendet wird. Dabei wird gern die Erkenntnis vergessen: „Im Diffusfeld verliert jedes Richtmikrofon seine bündelnde Richtcharakteristik“. Das heißt: Die Wirksamkeit der schallbündelnden Richtcharakteristiken, so wie sie uns die Mikrofonhersteller zeigen, gilt nur innerhalb des Hallradius, außerhalb davon wird die Richtwirkung mit zunehmender Entfernung von der Schallquelle immer geringer.

Bekannt ist auch die Herstellung der Richtcharakteristik „Breite Niere“ als „Straus-Paket“ aus der Verwendung von zwei Kleinmikrofonen ganz dicht beieinander. Verwendet wurde von Volker Straus ein KM 83 (Kugel) und ein KM 84 (Niere) der Firma Georg Neumann.

Akustische Bauformen

Es gibt Mikrofone in unterschiedlichen Kombinationen von Wandlerprinzip, akustischer Bauform und Membrangröße; Die akustische Bauform ist entscheidend für die Richtcharakteristik und den Frequenzgang:

Druckmikrofon

- vorwiegend ungerichtet, u.a. für Messzwecke-

Prinzip eines Druckmikrofons

Ein Druckmikrofon (besser: Mikrofon mit Druckcharakteristik) beschreibt eine Mikrofonbauform hinsichtlich ihrer akustischen Funktionsweise. Bei diesem ist die Mikrofonkapsel mit der Membran im Gegensatz zu der eines Druckgradientenmikrofons rückseitig geschlossen. Beim Druckmikrofon sind die erzeugten elektrischen Signale mit dem Schalldruck proportional. In der Lehre wird dieses Mikrofon auch als Druckempfänger bezeichnet.

Prinzip und Eigenschaften

Bei einem Druckmikrofon ist die schallaufnehmende Membran vor einem nach hinten geschlossenen Hohlraum angebracht. Dieser verhindert, dass der Schall die Membran umwandert und sich auch an deren Rückseite auswirkt. Einfallender Schall wird unabhängig von der Einfallsrichtung immer phasenrichtig wiedergegeben. Das Druckmikrofon reagiert ähnlich wie ein Barometer auf Luftdruckschwankungen, also auf den ungerichteten Druck-Skalar. Daher kann ein solches Mikrofon auch bei sehr tiefen Frequenzen wirksam sein. Es gibt aber immer eine ganz kleine Öffnung nach draußen (Kapillare), um einen statischen Druckausgleich zu ermöglichen, wobei die raschen Druckschwankungen des Schalls natürlich nicht ausgeglichen werden.

Druckmikrofone eignen sich sehr gut zur Aufnahme tiefer Frequenzen bis in den Infraschallbereich. In der Messtechnik werden daher üblicherweise Druckmikrofone verwendet.

Richtcharakteristik und Besonderheiten des Druckmikrofons

Für Druckmikrofone wird immer die Richtcharakteristik einer Kugel angegeben. Sämtliche Mikrofone mit anderen Richtcharakteristiken als die der Kugel, speziell solche mit umschaltbarer Charakteristik, werden mit der Bauform des Druckgradientenmikrofons realisiert.
Die Richtcharakteristik einer idealen Kugelform trifft beim Druckempfänger aber aus verschiedenen akustischen Gründen nur bei tiefen Frequenzen zu:

• Für hohe Frequenzen, bei denen die Mikrofonabmessungen größer als die halbe Wellenlänge sind, weicht die Richtcharakteristik unter anderem wegen der Schallabschattung durch die Kapsel von der idealen Kugelform ab; Die Richtcharakteristik gleicht eher der einer Niere.

• Eine Eigenart dieser Bauweise ist der Druckstaueffekt, eine deutlich wahrnehmbare Höhenanhebung bei annähernd senkrechter Beschallung der Membran. Dabei ist die Grenzfrequenz der Höhenanhebung vom Kapseldurchmesser abhängig. Je größer die Membran, umso tiefer liegt diese Frequenzüberhöhung.
  

Bei 0° Schall-Einfallsrichtung liegt das Maximum des Druckstaus, dessen Überhöhung bei schrägem Schalleinfall langsam abnimmt, bis sie bei seitlichem 90°-Einfall auf die Membran nicht mehr vorhanden ist.

Dieses „normale“ Mikofon mit Kugelcharakteristik wird mit diffusfeld- entzerrt bezeichnet. Wenn der Druckstaueffekt akustisch oder elektrisch für den Schalleinfallswinkel von 0° in einer Mikrofon-Sonderbauform beseitigt wird, dann nennt man das Mikofon freifeld- entzerrt. Druckmikrofone sind üblicherweise als Kleinmembran ausgeführt (Membrangröße kleiner 1 Zoll = 25 mm). Prinzipiell ist auch unser Ohr mit dem Trommelfell ein Druckempfänger. Ein Ohr hat aber keine Kugelcharakteristik, schon allein wegen der größeren Schallabschattung durch den Kopf. Das Gehör mit dem Gehirn verarbeitet den Schall zudem anders - es setzt die Ereignisse beider Ohren in Beziehung. Mikrofone „hören“ nicht wie Ohren.

Druckgradientenmikrofon

- gerichtet, am meisten verbreitet-

Ein Druckgradientenmikrofon (besser: Mikrofon mit Druckgradientencharakteristik) beschreibt eine Mikrofonbauform hinsichtlich ihrer akustischen Funktionsweise. Die Mikrofonkapsel mit der Membran ist dabei im Gegensatz zu einem Druckmikrofon rückseitig offen, das heißt, sie ist für den Schall von allen Seiten zugänglich. Beim Druckgradientenmikrofon sind die erzeugten elektrischen Signale mit der Schallschnelle proportional. In der Lehre wird diese Mikrofonbauform auch als Druckgradientenempfänger bezeichnet.

Prinzip des Druckgradientenmikrofons (Klick zum Vergrößern)

Prinzip und Eigenschaften

Das deutliche Merkmal eines Druckgradientenmikrofons besteht darin, dass die Membran, welche die Schallwelle aufnimmt, von beiden Seiten dem Schallfeld ausgesetzt ist. Da der Schall auch die Rückseite der Membran erreicht, folgt diese nicht dem absoluten Schalldruck, wie es beim Druckempfänger der Fall ist, sondern dem Druckgradienten, also der aus dem akustischen Umweg zwischen Vorder- und Rückseite resultierenden Druckdifferenz (der Schallschnelle). Diese Differenz ergibt sich, da der Schall um die Membran herumwandern muss, um sich auch auf ihrer Rückseite auszuwirken. Die dazu benötigte Zeit Δt resultiert in einer „Druckdifferenz“ (einem Druckgradienten)

Δp = p_vorn - p_hinten

auf den beiden Seiten der Membran. Bei gegebenem Δt ist der Druckgradient um so höher, je schneller der Schalldruckwechsel erfolgt. Zu tiefen Frequenzen hin sinkt der resultierende Druckgradient Δp also entsprechend. Siehe hierzu auch den Begriff akustischer Kurzschluss. Trifft ein Signal genau von der Seite (90°) auf die Membran, so ergibt sich keine Druckdifferenz und somit auch keine Membranbewegung. Daraus folgt auch, dass bei Beschallung der Membranrückseite die Phasenlage des resultierenden Mikrofonsignals gedreht ist.

Richtcharakteristik und Besonderheiten des Druckgradientenmikrofons

Kondensatormikrofonkapsel in Doppelgradientenbauweise mit umschaltbarer Charakteristik
(Neumann U48)

Die Richtcharakteristik ist in der beschriebenen Grundbauweise die einer Acht. Durch die Symmetrie der Mikrofonkapsel und ihre Aufhängung im Mikrofon lassen sich auch andere Richtcharakteristiken realisieren. Die Hersteller arbeiten mit akustischen Laufzeitgliedern (akustische „Umwege“ zwischen Membranvorder- und Rückseite) und mit nach hinten akustisch halb abgeschlossenen Systemen. So ergeben sich Richtcharakteristiken, die zwischen Kugel und Acht liegen, wie die „Breite Niere“, die Niere, die Superniere und die Hyperniere.
Sämtliche Richtcharakteristiken außer der Kugel (Druckmikrofon) können nur mit Druckgradientenmikrofonen realisiert werden.

Manchmal haben Kondensatormikrofone in Druckgradientenbauweise eine umschaltbare Richtcharakteristik. Solche Großmembran-Systeme werden als Doppelgradientenmikrofone (auch: Doppelgradientenempfänger) gebaut, die mit zwei kombinierten Membranen Rücken an Rücken arbeiten. Die umschalbare Richtcharakteristik folgt hier aus der Kombination der Versorgungsspannungen und der Signalphasenlage der beiden Membranen. Die meisten im Handel erhältlichen Mikrofone haben die akustische Bauform eines Druckgradientenmikrofons. Nur die Richtcharakteristik einer Kugel deutet bei einem nicht umschalbaren Mikrofon auf die akustische Bauform eines Druckmikrofons hin. Druckgradientenmikrofone sind nicht für die Aufnahme tiefster Frequenzen geeignet. Die tiefste darstellbare Frequenz hängt vom Umweg Δt ab, den der Schall zurücklegen muss, um den Druckgradienten an der Membranrückseite auszugleichen.
Ein weiterer Effekt ist der Nahbesprechungseffekt (siehe Grafik): Auf die Membran eintreffende Wellenfronten sind nah der Schallquelle stark gekrümmt, da sie sich kugelförmig ausbreiten. Dadurch steigt der akustische Umweg Δt, somit auch der Gradient und damit die Empfindlichkeit zu tiefen Frequenzen hin an. Bei Mikrofonabständen zur Schallquelle, die unterhalb etwa eines halben Meters liegen, reagieren Druckgradientenempfänger daher mit deutlicher Bassanhebung. Umgekehrt klingen Druckgradientenmikrofone im größeren Abstand von der Schallquelle recht tiefenarm.

Grenzflächenmikrofon, halb gerichtet

Der Begriff Grenzflächenmikrofon, auch engl.: „boundary layer“ oder „pressure zone microphone“, bezeichnet eine Mikrofonbauform hinsichtlich ihrer akustischen Funktionsweise. Es stellt einen Sonderfall dar, weil hier der Mikrofonkörper konzeptioneller Teil der akustischen Bauform ist.

Der Mikrofonkörper ist eine Platte, auf der eine Druck-, seltener auch eine Druckgradientenmikrofonkapsel membranflächenbündig eingelassen ist. Seine Richtcharakteristik ergibt somit eine Halbkugel oder „liegende“ Niere. Die Wandler sind üblicherweise in Kondensator- oder Elektretbauweise ausgeführt. Das Mikrofon wird auf eine große reflektierende Fläche, z.B. auf den Fußboden, gelegt. Es erhält so den maximalen Schalldruck ohne Überlagerungen von Raumschallanteilen, was zu einem ausgewogenen Frequenzgang und einem akustisch guten Raumeindruck führt. Diese Bauart wurde entwickelt, um die vorteilhaften akustischen Eigenschaften auszunutzen, die an schallreflektierenden Flächen auftreten, ohne das Schallfeld selbst zu beeinträchtigen:

• An schallharten Flächen treten keine störenden Reflexionen auf, da diese hier erst entstehen
• In Räumen werden deren Eigenresonanzen von diesem Mikrofon weniger aufgenommen
• Raumsignale R sind gegenüber den Direktsignalen D um 3 dB gedämpft, verglichen zu üblichen Mikrofonen mit Kugelcharakteristik

Oft wird diese spezielle Raumsignal-Dämpfung vergessen und Grenzflächenmikrofone zur Aufnahme gerade von Raumsignalen eingesetzt. Das Prinzip des Druckstaus, also die 6-dB-Überhöhung des Pegels bei frontalem 0°-Schalleinfall auf eine Mikrofonmembran bei der Frequenz mit der Wellenlänge des Mikrofonmembrankörpers, wird beim Grenzflächenmikrofon durch die Grenzfläche bis auf tiefe Frequenzen hin vergrößert. Es kann daher keine unterschiedlichen diffusfeld- und freifeld- entzerrten Grenzflächenmikrofone geben. Der Diffusfeld-Frequenzgang ist hierbei linear auf tiefe Frequenzen hin ausgedehnt. Die ersten kommerziell produzierten Grenzflächenmikrofone, geschützter Name: „PZM“ von Pressure Zone, zeigen falsch mit der Membran auf die Grenzfläche, wobei der Mikrofonkörper dem Schallzutritt störend im Wege ist. Dieses System wurde patentiert und man „verkaufte“ den verengten Schallzugang als Vorteil, weil dadurch angeblich der Druckstau bei hohen Frequenzen unterbunden wird. In Wirklichkeit erscheinen als Artefakte deutlich störende Interferenzen und ein welliger Frequenzgang. [1]

Die Größe der wirksamen Fläche und die untere Grenzfrequenz

Neue Angaben von Michael Dickreiter^(** zur unteren Grenzfrequenz f_c [Hz] bei Grenzflächenmikrofonen in Abhängigkeit vom notwendigen Durchmesser d = λ [m] bei einer kreisförmigen Auflagefläche:

$d={\frac {c}{f_{c}}}$

bzw.

$f_{c}={\frac {c}{d}}$

Dabei ist die Schallgeschwindigkeit c = 343 m/s bei 20 °C.

f_c = 30 Hz dann muss sein d = 11,43 m
f_c = 100 Hz dann muss sein d = 3,43 m
f_c = 1000 Hz dann muss sein d = 0,34 m

Frühere Angaben von Dickreiter^(* nennen als notwendigen Durchmesser (d = λ / 2) nur halb so große gerundete Werte, als hier angegeben sind.
^(* M.Dickreiter: Handbuch der Tonstudiotechnik. Band 1, 6. Auflage, 1997, Seite 188
^(** M.Dickreiter: Mikrofon-Aufnahmetechnik. 3. Auflage, 2003, Seite 107

Richtcharakteristik und Besonderheiten des Grenzflächenmikrofons

1. Halbkugelförmige frequenzneutrale Richtwirkung. Bei sich bewegenden Schallquellen ergeben sich keine Klangfarbenunterschiede.
2. Gleicher, ebener Frequenzgang von Direktschall und Raumschall. Dieses ist bei üblichen Druckmikrofonen nicht der Fall. Die Klangfarbe ändert sich weder mit der Entfernung noch mit der Schalleinfallsrichtung.
3. Der Diffusschallpegel liegt verglichen mit Kugelmikrofonen um 3 dB niedriger, was eine Bevorzugung des Direktschalls bedeutet.
4. Durch die Platzierung des Mikrofons an einer Begrenzungsfläche entstehen keine klangfärbenden Kammfiltereffekte, wie sie sonst am Fußboden und an den Wänden auftreten. Natürlich ergeben sich bei einer engen AB-Aufstellung zwischen den Mikrofonen die üblichen Kammfilter, wenn man Panpots benutzt.
5. Der 6-dB-Schalldruckgewinn an der Grenzfläche bewirkt eine Verbesserung des Störabstands gegenüber vergleichbaren Kugel-Mikrofonkapseln, die frei aufgestellt sind.

Wandlerprinzipien

Die eingesetzte Wandlertechnik entscheidet letztendlich über die Signalqualität: Rauschen, Impulstreue, Klirrfaktor):

Dynamisches Mikrofon

Dynamisches Mikrofon zur Aufnahme von Sprache und Gesang

Das Dynamische Mikrofon ist ein elektroakustischer Wandler (Sensor), der Schallereignisse als Schalldruckimpulse nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion in äquivalente elektrische Spannungsimpulse wandelt. Alle dynamischen Wandler nutzen das Prinzip der Induktion, um eine Membranschnellebewegung Δ v in m/s in eine Spannungsänderung Δ U in Volt zu wandeln. Üblich ist heute das Tauchspulenmikrofon, eine Bauform, die an einen Lautsprecher erinnert. Eine andere Bauform des dynamischen Wandlers ist das Bändchenmikrofon. Technisch betrachtet führt beim Dynamischen Mikrofon die Membranbewegung zum Signal, nicht die momentane Auslenkung, daher bezeichnet man es auch als Geschwindigkeitsempfänger. Der Haupteinsatzbereich von Dynamischen Mikrofonen ist der Live-Bereich. Im Studio werden meist Kondensatormikrofone verwendet.

Tauchspulenmikrofon

Das Tauchspulenmikrofon (auch Tauchspulmikrofon) ist ein elektroakustischer Wandler, der nach dem elektroinduktiven Prinzip des Dynamischen Mikrofons arbeitet. Es ist sowohl die Bauform des Druckgradientenmikrofons als auch die des Druckmikrofons üblich.

Tauchspulenmikrofon
1.	eintreffender Schall
2.	Membran
3.	Spule
4.	Permanentmagnet
5.	resultierendes Signal

Der Begriff bezieht sich auf die technische Anordnung der Bauelemente des Wandlers: Bei dem Tauchspulenmikrofon ist die Membran fest mit einer Magnet- Spule verbunden, welche durch die Membranbewegung in ein statisches dauermagnetisches Feld „eintaucht“. Siehe auch: Tauchspule. Die relative Bewegung von Spule Magnetfeld erzeugt per Induktion die Signalspannung. Diese ist mit der Membrangeschwindigkeit proportional.

Tauchspulenmikrofone benötigen keine nachträgliche Impedanzanpassung und auch keine Symmetrierung; beides kann allein durch die Dimensionierung und Verschaltung der Spule erreicht werden. Prinzipbedingt reagieren Tauchspulenmikrofone sehr empfindlich auf äußere Störeinflüsse durch elektromagnetische Felder. Deshalb ist in Nähe der Schwingspule zusätzlich eine statische Spule installiert. Durch gegensätzliche Wicklung und Reihenschaltung mit der Schwingspule können so Störeinflüsse zum großen Teil kompensiert werden. Zur Unterdrückung von Störschall (wie Trittschall oder Hantiergeräuschen) ist diese Einheit (die Mikrofonkapsel) im Mikrofongehäuse meistens elastisch gelagert.

Prinzipielle Nachteile: Die Luftschwingung muss die Masse der Membran mit der Spule bewegen und leistet außerdem elektrische Arbeit. Tauchspulenmikrofone haben daher ein träges Einschwingverhalten, was bei höheren Ansprüchen negativ bewertet wird, aber für bestimmte Zwecke dennoch erwünscht sein kann. Allerdings sind die Systeme so ausgereift, dass eine recht gute Klangqualität erreicht werden kann. Dem technischen Ideal kommt jedoch das Kondensatormikrofon deutlich näher. Dynamische Mikrofone haben ein nicht so hohes Übertragungsspektrum wie Kondensatormikrofone und sind eher für Nahaufnahmen geeignet.

Die Vorteile dieses Mikrofontyps zeigen sich darin, dass sie in der Regel gegenüber mechanischen Belastungen recht robust sind und hohe Schalldrücke vertragen – Eigenschaften, die im Livebetrieb gefragt sind. Auch benötigen sie keine Spannungsversorgung, was im mobilen Betrieb von Vorteil ist. Zudem gelten sie als relativ preisgünstig.

Bändchenmikrofon

Ein Bändchenmikrofon (engl. Ribbon Microphone) ist ein elektroakustischer Wandler, der nach dem elektroinduktiven Prinzip des Dynamischen Mikrofons arbeitet. Bei diesem Mikrofon typ sind Wandlerprinzip und akustische Bauform eng verknüpft. Technisch betrachtet führt hier die Membranbewegung zum Signal, nicht die momentane Auslenkung, daher bezeichnet man es auch als Geschwindigkeitsempfänger.

Siemens & Halskes Bandmikrofon

Die Membran des Bändchenmikrofons ist ein zickzack-gefalteter Aluminiumstreifen von 2 bis 4 mm Breite und ein paar Zentimeter Länge. Der Streifen ist nur wenige Mikrometer dick. Je nach Bauart sind ein oder zwei solcher Streifen so zwischen den beiden Polen eines Permanentmagneten eingespannt, dass sie bei Anregung durch eintreffenden Schall geringfügig hin und her schwingen können. Die Bewegung im Magnetfeld induziert eine der Bewegungsgeschwindigkeit entsprechende Spannung, die an den Enden der Aluminiumstreifen abgegriffen werden kann. Ein Übertrager muss nachgeschaltet werden, um die sehr geringe induzierte Spannung etwa um den Faktor 30 zu erhöhen. Damit wird auch die Impedanz (frequenzabhängiger Widerstand) des Aluminiumstreifen von ca. 0,2 Ohm auf die in der Studiotechnik übliche Ausgangsimpedanz von R_i = 200 Ohm angehoben. Bändchenmikrofone besitzen einen im Arbeitsbereich nahezu linearen Frequenzgang; ihre äußerst leichte Membran verleiht ihnen ein gutes Impulsverhalten. Prinzipbedingt kann die Membran von beiden Seiten vom Schall erreicht werden. Ihre akustische Bauweise ist daher die eines Druckgradientenmikrofons. Daraus folgt auch die Richtcharakteristik einer Acht. Sie sind nicht für die Aufnahme tiefster Frequenzen geeignet. Bändchenmikrofone reagieren empfindlich auf Wind, Erschütterungen und schnelle Bewegungen. Der Nahbesprechungseffekt ist wegen des Druckgradienten bei tiefen Frequenzen recht deutlich. Diese dröhnende Wirkung in der Nähe der Schallquelle kann durch Verwendung eines Bass-Cut-Filters gemindert werden. Bändchenmikrofone erreichen sehr geringe Membranmassen und könnten daher mit Einschränkungen als Schallschnelleempfänger gesehen werden. Mikrofonentwickler widersprechen dieser Annahme und verwenden lieber das Wort Druckgradientenmikrofon oder Druckempfänger. Hitzdrahtmikrofone erlauben die Erfassung des Effektivwertes der Schallschnelle in bestimmten Richtungen, geben aber das akustische Signal nicht wieder.

Physik des dynamischen Mikrofons

Induktionsgesetz

Elektroakustisches Wandlungsprinzip des dynamischen Mikrofons:

$\Delta \ U\propto \Delta \ v$ (proportional)

Induktionsgesetz beim dynamischen Mikrofon:

$\Delta \ U=B\cdot l\cdot \Delta \ v$

• Δ U = erzeugte Modulationsspannung als Spannungsschwankung
• Δ v = Änderung der mechanischen Schnelle als mechanische Auslenk-Geschwindigkeit des Leiters (Membran mit Schwingspule)
• B = magnetische Flussdichte, die proportional zur Magnetfeldstärke H ist
• l = Länge des elektrischen Leiters als Tauchspulendraht bzw. Bändchen

Aus der Formel ergibt sich, dass die Leiterlänge l (Spulendraht bzw. Bändchen) in der Praxis entscheidenden Einfluss hat auf den Innenwiderstand (Ausgangsimpedanz) des Mikrofons. Ist die Leiterlänge sehr kurz, wie bei einem Bändchenmikrofon, sinkt entsprechend die erzeugte Spannung und der Innenwiderstand. Besteht die Spule aus sehr vielen Windungen – beim Tauchspulenmikrofon soll damit eine hohe Spannung gewährleistet werden – dann wird der Innenwiderstand recht groß. Auch im Fall eines minderwertigen Mikrofons, das nur eine schwache Magnetfeldstärke „B“ hat, sinkt die erzeugte Spannung. Starke Magneten bringen dagegen den Vorteil der hohen Signalspannung (Modulationsspannung).

Kondensatormikrofon

Kondensatormikrofon
Klick zum Vergrößern
1.	eintreffender Schall
2.	Membran
3.	Gegenelektrode
4.	Spannungsversorgung
5.	Hochpassfilter
6.	resultierendes Signal

Das Kondensatormikrofon (auch Condenser) ist ein elektroakustischer Wandler, der Schalldruckimpulse in entsprechende elektrische Spannungsimpulse wandelt, und dabei nach dem physikalischen Prinzip des Kondensators arbeitet. Da hier die Membranauslenkung und nicht die Membrangeschwindigkeit zum Signal führt, ist das Kondensatormikrofon technisch betrachtet ein Elongationsempfänger.

Kondensatormikrofone kommen in den verschiedensten Erscheinungsformen vor, da mit diesem Begriff nur das Wandlerprinzip bezeichnet wird. Der Begriff hat sich aber im Umgang als Mikrofon- Klasse etabliert, da klangliche Eigenschaften mit dem Prinzip der Wandlung eng verknüpft sind. Bereits 1928 von Georg Neumann erfunden, ist es bis heute ein Standard in Tonstudios in aller Welt.

Prinzip Beim Kondensatormikrofon ist eine wenige tausendstel Millimeter dicke, elektrisch leitfähige Membran dicht vor einer -aus akustischen Gründen gelochten- Metallplatte elektrisch isoliert angebracht. Sobald eine elektrische Spannung angelegt wird, entsteht zwischen der Membran und der Platte ein Potenzialgefälle. Technisch betrachtet entspricht diese Anordnung einem Kondensator, der eine messbare Kapazität besitzt. Eintreffender Schall bringt die Membran zum Schwingen, wodurch sich der Abstand der beiden Kondensatorfolien und damit auch die Kapazität des Kondensators verändert. Diese Kapazitätsschwankungen führen zu Spannungsschwankungen und resultieren in einem elektrischen AM- Signal. Dieses System wird als Niederfrequenz- (NF-) Kondensatormikrofon bezeichnet. Bei einer alternativen Bauart, dem HF- (Hochfrequenz-) Kondensatormikrofon, wird die variable Kapazität zur Verstimmung eines HF-Schwingkreises benutzt. Dabei entsteht ein FM-Signal, das noch im Mikrofon demoduliert wird. Zuletzt dient eine Impedanzanpassung der Signalübertragung. Da die Membran eine sehr geringe Masse besitzt, folgt sie Luftschwingungen besonders präzise, was sich in einer guten Impulsverhalten dieses Mikrofontyps sowie in dessen brillanten Höhen niederschlägt. Dieses ist umso besser, je kleiner der Membrandurchmesser ist. Kondensatorkapseln sind sowohl als Druckmikrofon wie auch als Druckgradientenmikrofon gebräuchlich. In der Lehre wird hier gerne das Wort Druckempfänger und Druckgradientenempfänger verwendet. Manche Kondensatormikrofone haben eine umschaltbare Richtcharakteristik. Ermöglicht wird dieses durch eine zweite Membran, die in der Höhe der Versorgungsspannung und in der Polung umgeschaltet werden kann (Doppelgradientenmikrofon).

Im Mikrofongehäuse oder in der Zuleitung befindet sich eine elektrische Schaltung, welche die ankommenden sehr geringen Ströme verstärkt. Bei hochwertigen Mikrofonen ist dieser Mikrofonverstärker meistens mit einem symmetrischen Ausgang ausgeführt, d.h. er liefert ein masseunabhängiges Signal. Erreicht wird dieses entweder durch einen Transformator oder durch eine elektrische Symmetrierstufe mit Transistoren (siehe auch Symmetrische Signalübertragung).

Kondensatormikrofonkapsel Oktavia 319

Phantomspeisung

Um das Potentialgefälle zwischen den Kondensatorplatten zu erreichen, ist eine Spannungsquelle notwendig. Auch ein elektronischer Impedanzwandler benötigt eine Spannungsversorgung. Üblicherweise nutzt man die Phantomspeisung des Mikrofonvorverstärkers oder des Mischpults. Der Spannungs-Pluspol beträgt meistens 48 Volt und liegt zur Strombegrenzung und Entkopplung über je einen Widerstand von 6,8 kΩ an den Signalleitungen Hot (XLR Pin 2) und Cold (XLR Pin 3) an. Den Spannungs- Minuspol bildet Masse (XLR Pin 3). Zwischen den Anschlüssen Pin 2 und Pin 3 ist kein Spannungsunterschied messbar, daher die Bezeichnung „Phantomspeisung“. Siehe auch: Symmetrische Signalübertragung.

Batteriespeisung

Im mobilen Bereich, etwa bei Verwendung unsymmetrischer Eingänge eines mobilen DAT- Recorders, erfolgt die Vorspannung durch ein Speiseteil (Batteriespeisung). Kondensatormikrofone, die für den mobilen Einsatz gebaut worden sind, haben oft ein solches Speiseteil im Griffstück integriert. Dabei werden die 48 Volt Gleichspannung mittels Transformation aus den 1,5 Volt einer handelsüblichen Batterie gewonnen. Die Qualität der so gewonnenen Gleichspannung wirkt sich direkt auf die Mikrofonsignalqualität aus. Der Energieverbrauch eines Kondensatormikrofons ist sehr gering, eine Batterie hält viele Stunden vor.

Elektret- Kondensatormikrofon

Elektretmikrofonkapseln: billig, kompakt und robust

Schaltbild Impedanzwandler - Sourcefolger

Ein weiterer Typ des Kondensatormikrofons, der den Effekt einer dauerhaft elektrostatischen Polarisierung durch eine Elektretfolie nutzt und keine Speisespannung benötigt, ist das Elektretmikrofon. Zwischen den Kondensatorplatten, also auf der Membran oder auf der Gegenelektrode befindet sich eine Elektretfolie , in der die Membranvorspannung sozusagen „eingefroren“ ist. Elektrete sind Stoffe, die dauerhaft elektrisch geladen sind. Elektretmikrofone sind mit 90 % Marktanteil die weltweit am häufigsten hergestellten und eingesetzten Mikrofone. Sie sind z. B. in Mobiltelefonen oder Kassettenrekordern eingebaut. Die Größe der Mikrofonkapsel liegt meistens zwischen einem Millimeter und einem Zentimeter. Der Frequenzgang kann bei guten Elektretmikrofonen als Druckempfänger (Mikrofon mit Kugelcharakteristik) von 20 Hz bis 20 kHz gehen.

Der Impedanzwandler mit sehr hochohmigem Eingang befindet sich in der Mikrofonkapsel. Er wird fast immer mit einem Feldeffekttransistor (FET) realisiert, der einen Speisestrom von weniger als 1 Milliampere benötigt. Auch wenn man diese Elektronik hinter der Membran häufig mit „Verstärker“ bezeichnet, so wird dort allein eine Impedanzwandlung (Stromverstärkung, im Beispiel knapp 1500-fach) vorgenommen und keine Spannungsverstärkung.

Der Vorteil des Elektretmikrofons gegenüber dem Kondensatormikrofon ist, dass keine höhere Gleichspannung als Kondensatormembran-Vorspannung benötigt wird und daher eine kleine Batterie zur Versorgung des Impedanzwandlers ausreicht.

Kohlemikrofon

Kohlemikrofon: Zeichnung aus der Patentschrift

Als Kohlemikrofon wird ein elektroakustisches Wandlerprinzip bezeichnet, bei dem durch Schall erzeugte Druckschwankungen proportionale Änderungen des elektrischen Widerstandes an seinen Anschlüssen bewirken. Zur Wandlung dient dabei der druckabhängige Übergangswiderstand im durch die Membran komprimierten Kohlegranulat.

Aufbau

Ein schalldurchlässiges Gehäuse ist nach oben mit einer metallischen Membran verschlossen. Das Gehäuse ist mit Kohlegries (aus Anthrazit hergestellt) gefüllt, unter dem Kohlegries befindet sich die Gegenelektrode. Zwischen Membran und Gegenelektrode wird eine elektrische Gleichspannung angelegt. Schallwellen werden durch die Membran auf den Kohlegries übertragen. Die mikroskopischen Lageänderungen der Teilchen bewirken eine Modulation des durchfließenden Gleichstroms. Unterschiedlichen Anwendungsanforderungen kann man in bestimmtem Umfang durch unterschiedliche Korngrößen gerecht werden.

Kohlemikrofonkapsel aus einem alten Telefon

Einsatz

Kohlemikrofone wurden in großer Stückzahl in Telefonen eingesetzt. Man geht davon aus, dass durch die Erfindung des Kohlemikrofons die Entwicklung des Fernsprechwesens außerordentlich beschleunigt wurde. Die „Sprachverständlichkeit“ war damit ausgesprochen gut. In der Tontechnik bzw. in der Musikproduktion werden Kohlemikrofone aufgrund der nachteiligen Klangeigenschaften heute nicht mehr verwendet. In den 60er- und 70er Jahren wurden die Kohlemikrofone in der Fernmeldetechnik durch die, moderneren und akustisch besseren, dynamischen Mikrofone und Kristallmikrofone ersetzt, die in den 80er Jahren wiederum dem sehr kompakten Elektret-Kondensator-Mikrofon Platz machen musste, dass besonders in der Mobilfunktechnik eingesetzt wurde und wird. In der professionellen Tontechnik ist das Kohlemikrofon bereits in den 20er und 30er vom Kondensatormikrofon verdrängt worden.

Eigenschaften

• starkes Rauschen durch Oxidationsprozesse an den Spitzen des Kohlegrieses.
• Der Klirrfaktor beträgt zwischen 20 und 50 Prozent
• niedrige Produktionskosten (Massenprodukt)
• Übertragungseigenschaften sind schlecht reproduzierbar
• Wartungsaufwändig, da die Lebensdauer begrenzt ist
• Parameter sind stark feuchtigkeitsabhängig

Da insgesamt die negativen Eigenschaften überwiegen, werden Kohlemikrofone nur noch selten verwendet.

Anwendungsbezogene Bauformen

Anwendungsbezogen können Mikrofone außerdem kategorisiert werden:

• Nach der Größe der Membran (Kleinmembran - Großmembran, Grenze 1 Zoll)
• Nach der Richtcharakteristik (siehe akustische Bauform).

• Nach der äußeren Bauform:
  • Handmikrofon
  • Schwanenhalsmikrofon
  • Klemmmikrofon
  • Lavaliermikrofon

• Sonderbauformen
  • Lasermikrofon
  • Unterwassermikrofon

Anschlussnormen

• Symmetrische Signalführung: Monosignal, drei Adern: Masse, positive Signalphase „Hot“, negative Signalphase „Cold“
• Unsymmetrische Signalführung: Monosignal, zwei Adern: Masse, Signalphase
• Unsymmetrische Signalführung: Stereosignal, drei Adern: Masse, Signalphase links, Signalphase rechts

Norm	XLR- Cannon- oder Neutrik- Stecker, 3-Pol + Gehäusemasse	NAB 6,35mm Klinkenstecker, 3-Pol	NAB 3,5mm Klinkenstecker, 3-pol	RCA Cinchstecker, 2+2-pol
Anwendung	Monomikrofon, Studio und Bühne	Monomikrofon, Studio (selten); Stereomikrofon, Homerecording	Stereomikrofon, Homerecording	Mono- und Stereomikrofon, Homerecording
Belegung	Pin1 = Masse Pin2 = Hot Pin3 = Cold Gehäuse = Schirmung	Tip = Hot / Links Ring = Cold / Rechts Ground = Masse, evtl. Schirmung	Tip = Links Ring = Rechts Ground = Masse	Pin = Signal Ring = Masse
Kabel	dreiadrig, geschirmt	dreiadrig, evtl. geschirmt	dreiadrig, ungeschirmt	2 x zweiadrig, ungeschirmt
andere Anwendungen	Stereosignale Linesignale digital Audio (AES/EBU) Lautsprechersignale	Stereosignale Linesignale Lautsprechersignale Insertsignale (Tonstudio)	Kopfhörersignale Linesignale Remotesteuerung	Linesignale Phono- Signale digital Audio (S/P-DIF)

Diese Anschlussnormen sind heute am gängigsten. Sehr alte Mikrofone haben eventuell einen DIN- oder Tuchelstecker. Man kann sie dann umlöten oder einen Adapter bauen. Bei allen Mikrofonsteckern gilt: Der „Male“-Stecker gibt das Signal ab, der „Female“-Stecker nimmt das Signal an.

Mikrofonpraxis

Klein- und Großmembrankondensatormikrofon

Kleinmembranmikrofon

Als Kleinmembranmikrofon gelten nach branchenüblicher Bezeichnung all jene Mikrofone, deren Mikrofonkapsel einen Membrandurchmesser von kleiner als 1 Zoll, entsprechend 2,54 cm aufweisen. Typisch bei Kondensatormikrofonen sind Durchmesser im Bereich von 1/2 Zoll (1,3 cm).

Der Kapseldurchmesser beeinflusst maßgeblich den Klang und bestimmt damit den Anwendungszweck des Mikrofons mit. Je kleiner der Kapseldurchmesser ist, desto höhere Frequenzen können gemäß ihrer Einfallsrichtung und Schallstärke korrekt aufgenommen und übertragen werden, da sich das Mikrofon dem punktförmigen Ideal annähert und die wirksame Membranfläche maximal in der Größenordnung der Wellenlänge der höchsten hörbaren Schallfrequenzen liegt.

Kleinmembranmikrofone haben daher einen recht gleichförmigen Verlauf der Empfindlichkeit in Abhängigkeit des Schalleinfallswinkels und übertragen bis weit über 15 kHz einigermaßen sauber. Dagegen kommt es bei Großmembranmikrofonen, z. B. zu ausgeprägten Partialschwingungen und Wechselwirkungen der Membran mit kurzwelligen Schallwellen, sodass im oberen Frequenzbereich ab etwa 10 kHz ein oft ungleichförmiger Frequenzverlauf entsteht. Mitverantwortlich sind hierbei auch die Größe und Geometrie des gesamten Mikrofons. Kleinmembranmikrofone stellen ein geringes Hindernis im Schallfeld dar und wirken damit weniger verändernd, was z. B. auch in Stereo-Mikrofonanordnungen sehr zum Tragen kommt, wenn zwei Mikrofone in unmittelbarer Nähe platziert werden müssen.

Grundsätzlich gilt: Je kleiner die Kapsel, desto neutraler und präziser ist das Klangbild. Daher werden bei Musikproduktionen und Übertragungen, bei denen es auf klangliche Authentizität ankommt, nahezu ausschließlich Kleinmembranmikrofone eingesetzt.

Andererseits verliert man bei kleineren Kapseln an Kondensatorfläche, wodurch die Empfindlichkeit, also das Vermögen, einen bestimmten Schalldruck in eine möglichst große Spannung umzuwandeln, sinkt und bei festem Grundrauschen nachgeschalteter Verstärker, der effektive Rauschabstand verschlechtert wird.

Durch die Bauart weisen Kleinmembranmikrofone auch eine oft benötigte gute Rückwärtsdämpfung, also Abschattung von hinten kommender Schallwellen auf. Typische Rückwärts-Dämpfungswerte sind bis zu 35 dB für Nieren-Kleinmembranmikrofone, während nur bis zu maximal 20 dB Dämpfung von hinten für Großmembranen üblich sind.

Großmembranmikrofon

Großmembran-Kondensator-Mikrofon mit Spinne

Bei Kondensatormikrofonen ist es bis zum heutigen Tag in der Branche üblich, alle Kapseln mit Membrandurchmessern von größer oder gleich 1 Zoll = 2,54 cm als Großmembranmikrofon zu bezeichnen, auch wenn es manche junge Firmen gibt, die es mit dieser geschichtlich gewachsenen Begriffsbestimmung nicht so ernst nehmen und auch Membranen mit nur 0,75 Zoll = 1,9 cm Durchmesser (die damit eigentlich Kleinmembranmikrofone sind) schon als Großmembran zu benennen, um sie besser vermarkten zu können. Real ist heute auch immer noch so, dass die historisch bedingte Baugröße der Großmembranmikrofone bei vielen Anwendern pauschal auf positive Resonanz stößt und vielfach kaufentscheidend ist.
Psychologisch sitzt die Annahme falsch fest, dass ein großes Mikrofon einen großen Klang haben müsse. Tätsächlich sind jedoch Kleinmembranmikrofone in der Klangneutralität technisch überlegen und sind daher in vielen Anwendungen bei Tonproduktion vorzuziehen.

Der Klang wird durch den Kapseldurchmesser und seine Störungen im Schallfeld maßgeblich beeinflusst und damit der Anwendungszweck des Mikrofons mitbestimmt. Je größer der Kapseldurchmesser wird, desto schlechter können höhere Frequenzen noch sauber übertragen werden, da ein Membrandurchmesser von 2 cm und mehr bereits in der Größenordnung der Wellenlänge der noch hörbaren hohen Schallwellen liegt, wodurch es zu unerwünschten Effekten kommt.

Ein weiteres typisches Merkmal von Großmembranmikrofonen ist es, dass sie für das Schallfeld ein großes mechanisches Hindernis darstellen und durch die Platzierung eines dermaßen großen Fremdkörpers die Schallsituation in unmittelbarer Umgebung des Mikrofons stark verzerrt wird. Einfluss nimmt hier auch das oft großvolumig gestaltete Gehäuse bei Großmembranmikrofonen.

Da die Richtcharakteristik aufgrund der großen Abmessungen sehr frequenzabhängig und auch weniger gut ausgeprägt ist, entsteht bei diesem Mikrofontyp typischerweise eine deutliche hörbare Klangfärbung, die für jedes einzelne Exemplar charakteristisch ist, während sich Kleinmembranmikrofone untereinander klanglich deutlich ähnlicher sind.

Vergleich zwischen Klein- und Großmembran-Mikrofonen

De facto besitzen Großmembranmikrofone eine typische obere Grenzfrequenz von etwa 12 kHz, während Kleinmembranmikrofone problemlos bis 40 kHz sauber übertragen und auch Impulsen besser folgen können. Moderne Großmembranen bestehen aus extrem dünnen (unter 2 µm) und leichten Materialien und können somit hohe Frequenzen etwas besser wiedergeben, als ältere Modelle.

Je kleiner die Mikrofonkapsel, desto neutraler und präziser ist das Klangbild. In Aufnahmesituationen werden Großmembranmikrofone daher oft eingesetzt, um bestimmte Instrumente oder Stimmen zu färben, z. B. um Solostimmen, vor allem Gesang, hervorzuheben. Bei Übertragungen hingegen, wo es auf gute Rückwärts-Dämpfungswerte der Mikrofone ankommt, erweisen sich Großmembranmikrofone ebenfalls als unterlegen: Typische Werte für ein Nieren-Großmembranmikrofon sind 20 dB, während bei einem Kleinmembranmikrofon eine hohe Dämpfung bis zu 35 dB keine Seltenheit sind.

Große Kapseln haben einen Vorteil: Mit größerer Kondensatorfläche steigt die Empfindlichkeit des Mikrofons. Bei einem gegebenen Schalldruck erzeugt daher eine Großmembrankapsel mehr Modulationsspannung, wodurch bei gleichem Grundrauschen nachfolgender elektrischer Verstärker der effektive Rauschabstand verbessert wird. Damit lassen sich mit Großmembrankapseln grundsätzlich rauscharme Mikrofone bauen. Daher finden sich in der Produktpalette einiger fernöstlicher Anbieter optisch imposante Riesenmikrofone mit relativ guten Rauschwerten.

	kleine Membran	große Membran
Eigenrauschen	höher	niedriger
Empfindlichkeit	niedriger	höher
Schalldruck-Verkraftung	höher	geringer
Frequenzbereich	breiter	enger
Schallfeldeinfluss	gering	stark
Dynamikbereich	höher	geringer

Stereomikrofonie

Zwei Mikrofone zusammen bilden ein Mikrofonsystem für Stereoaufnahmen, die damit einen ganz bestimmten Aufnahmebereich für die Hörereignisrichtung auf der vollen Stereo-Lautsprecherbasis einfangen. Mikrofone sollten innerhalb des Hallradius aufgestellt werden. Es gibt eine Reihe von Stereo- Mikrofonierungsverfahren, die auf psychoakustischen Effekten beruhen:

• Laufzeitstereofonie:
  • AB- Stereosystem

• Intensitätsstereofonie:
  • XY- Stereosystem
  • MS- Stereosystem
  • Blumlein- Stereosystem

• Äquivalenzstereofonie
  • ORTF- Stereosystem
  • NOS- Stereosystem
  • EBS- Stereosystem
  • Decca Tree- Stereosystem

• Binaurale Stereofonie:
  • Kunstkopf- Stereosystem
  • Trennkörper- Stereosystem, Trennkörper- AB

Surround

Eine Besonderheit im Kinobereich stellt die Raumklang-Mikrofonie mit bis zu 5 Mikrofonen dar.

Anmerkungen

Im Gegensatz zu Lautsprechern spielt die Membrangröße bei Mikrofonen bezüglich deren Tiefenwiedergabe wirklich keine Rolle, da Mikrofone wie die menschlichen Ohren lediglich als Sensoren wirken, und nicht wie Lautsprecher Luft im tieffrequenten Bereich zu verdichten haben. Umgangssprachlich heißt es oft, dass man mit einem Mikrofon den Schall abnimmt. Ein Mikrofon ist jedoch ein Schallaufnehmer, denn es steht im Schallfeld und nimmt dort den einwirkenden Schall als empfindlicher Sensor auf. Siehe dagegen: Tonabnehmer für nicht- akustische Musikinstrumente. Das „Abnehmen“ von Körperschall gehört zum Jargon bei der PA-Beschallung.

Zur Schallschnelle bei Mikrofonen

Der Begriff der Schallschnelle wird zur Erklärung des Verhaltens der Richtmikrofone nicht benötigt. Mikrofonmembranen werden durch Kräfte bewegt, die durch Drücke bzw. Druckdifferenzen verursacht werden. Dagegen ist die Schallschnelle bei der Schallerzeugung von elementarer Bedeutung. Lautsprecher erzeugen über die Membranbewegung zunächst eine gleich große Schallschnelle unmittelbar vor der Membran. Die Physik des Schallfeldes bedingt aber feste Beziehungen zwischen Schallschnelle und Schalldruck. Genau das ist die physikalische Wesenheit des Begriffs „Schallfeld“. Das Schallmedium (Luft) erzeugt gewissermaßen aus der Schnelle einen Druck, den wir dann unmittelbar mit unseren Ohren oder mittelbar über die Mikrofone wahrnehmen können.

Siehe auch

• Allgemein
  • Akustik | Stereofonie
  • Schalldruck | Schalldruckpegel | Schallfeld | Schallfeldgröße | Schallschnelle | Schallschnellepegel |
  • Richtcharakteristik | Empfindlichkeit (Technik)
  • Aufnahmebereich | Stereofonie | Mikrofonrichtcharakteristik
  • Headset (Sprechgarnitur, Mikrofon-Kopfhörer) | Mikrofon-Windschutz
• Grenzflächenmikrofon
  • Stützmikrofon | Laufzeitstereofonie | Abstandsgesetz

• Druckmikrofon, Druckgradientenmikrofon
  • Nahbesprechungseffekt | Akustischer Kurzschluss

• Dynamisches Mikrofon
  • Induktionsgesetz | Induktion | Schnelle

• Kondensatormikrofon
  • Phantomspeisung | Übertragungsfaktor

Literatur

• Thomas Görne: Mikrofone in Theorie und Praxis. Elektor-Verlag, Aachen, ISBN 3-928-05176-8
• Thomas Görne: Tontechnik. Hanser Fachbuchverag, Leipzig, ISBN 3-446-40198-9
• Gerhart Boré: Mikrofone. Georg Neumann GmbH, Firmenschrift.
• Andreas Ederhof, das Mikrofonbuch, Carstensen Verlag, München, ISBN 3-910-09828-2
• Norbert Pawera: Mikrofonpraxis. Tipps und Tricks für Bühne und Studio. PPVMEDIEN, Bergkirchen, ISBN 3-932-27554-3
• Anselm Rößler: Neumann – The Microphone Company. PPVMEDIEN, Bergkirchen, ISBN 3-932-27568-3
• Michael Dickreiter: Handbuch der Tonstudiotechnik. (1997), Saur-Verlag, 2 Bände, ISBN 3-598-11320-X

Weblinks

• Allgemeine Links
  • Alle Mikrofonrichtcharakteristiken und weitere Mikrofonparameter - pdf
  • Unterschied zwischen Hyperniere und Superniere - pdf
  • Mikrofon-Lautstärke: Umrechnung von Empfindlichkeit in dB re 1 V/Pa in Übertragungsfaktor in mV/Pa
  • Zusammenhang der Mikrofon-Richtcharakteristiken - pdf
  • Historische Mikrofone, mit Klangbeispielen
  • Schöne Fotos - Vintage Microphones

• Links zum Druckmikrofon und Druckgradientenmikrofon
  • Forum für Mikrofonaufnahme und Tonstudiotechnik
  • Erklärungsansätze für das Zustandekommen vom Nahbesprechungseffekt - pdf

• Links zum Grenzflächenmikrofon
  • Grenzflächenmikrofone: richtig und falsch - pdf
  • Untere Grenzfrequenz beim Grenzflächenmikrofon - pdf

• Links zum Kondensatormikrofon und Elektretmikrofon
  • Ehrung von Prof. Gerhard Sessler
  • Probleme mit Elektretmikrofonen - engl.

• Links zum Kohlemikrofon
  • Kohlemikrofon - Arten der Schallwandlung bei Mikrofonen

Commons: Mikrofone – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien