Mikrofon

Ein Mikrofon ist ein Wandler, der Schall in elektrische Spannungsimpulse umwandelt. Dies unterscheidet Mikrofone von Tonabnehmern, welche Festkörperschwingungen umsetzen.

Dynamische Gesangsmikrofone Shure SM58 und Beta 58A

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, der mechanisch oder elektrisch mit der Membran gekoppelt ist, generiert daraus eine der Membranbewegung entsprechende Wechselspannung. Das Wandlerprinzip ist maßgeblich für die Qualität des Ausgangssignals, die durch Rauschabstand, Impulstreue und Klirrfaktor bestimmt wird.

Geschichte des Mikrofons

Entwicklungen

Die Entwicklung des Mikrofons ging Hand in Hand mit der Entwicklung des Telefons. In der Geschichtsschreibung werden die Entwicklungen von grundlegenden Wandlerprinzipien angeführt, die Entwicklung verschiedener akustischer Bauformen ergab sich im Zuge der Verbesserung einzelner Modelle.

Berlinersches Mikrofon (Querschnitt)

Der in die USA ausgewanderte italienische Ingenieur Antonio Meucci entwickelte bereits 1860 ein Telefon auf Basis eines ebenfalls von ihm erfundenen elektromagnetischen Wandlers. Er war jedoch ein schlechter Geschäftsmann und konnte das Geld für eine Patentanmeldung nicht aufbringen. Der heute meistens als Erfinder des Mikrofons angeführte schottische Taubstummenlehrer Alexander Graham Bell stahl Meuccis Erfindung und meldete ein technisch gleichartiges Patent am 14. Februar 1876 an .

Die Erkenntnis, dass Kohle die Schwingung einer Membran sehr simpel in elektrische Impulse umsetzen kann, führte Ende des 19. Jahrhunderts zur Entwicklung des Kohlemikrofons. 1877 entwickelte Emil Berliner in den Bell Labs, USA, einen Schallwandler, der den druckabhängigen Übergangswiderstand zwischen Membran und einem Stück Kohle zur Signalgewinnung nutzte. Als Erfinder des Kohlemikrofons wird jedoch David Edward Hughes gehandelt, der eine ähnliche Entwicklung auf der Basis von Kohlestäben erstmals am 9. Mai 1878 in der Königlichen Akademie in London öffentlich vorstellte.

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 Grundprinzip 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 verdrängt.

Großmembran- Kondensatormikrofon Neumann U87

Georg Neumann entwickelte im Jahr 1923 das Kohlemikrofon weiter, wodurch die Klangqualität besonders bei tiefen Frequenzen stark verbessert wurde. Der Durchbruch gelang ihm jedoch mit der Entwicklung des NF-Kondensatormikrofons. 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 war der Schallaufzeichnungstechnik seiner Zeit qualitativ weit voraus und ist auch heute noch Standard für Mikrofone höchster Qualität.

1928 gründete Georg Neumann zur Vermarktung seines Kondensatormikrofons eine Firma, die noch heute zu den führenden Mikrofonherstellern gehört. Das erste funktionstüchtige Serienmodell, das Neumann CMV3, auch „Neumann-Flasche“ genannt, ist auf vielen zeitgenössischen Filmaufnahmen zu bewundern. Legendär ist auch 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 M. Sessler und James Edward Maceo West das Elektret-Mikrofon, eine Variante des Kondensatormikrofons, welche heute mit 90% Marktanteil den häufigsten Mikrofontyp darstellt. Gerhard M. Sessler und Dietmar Hohm erfanden in 1980er Jahren an der TH Darmstadt das Silizium-Mikrofon.

Hersteller

Siehe auch: Liste von Mikrofonherstellern
Weitere Namen, die in der Weiterentwicklung des Mikrofons auftauchen, sind: David Edward Hughes, Sidney Shure, Fritz Sennheiser, Eugen Beyer.

Wichtige Hersteller von dynamischen Mikrofonen:
Sidney Shure (SM58: weltweit meistverkauftes Bühnenmikrofon), Electrovoice, Sennheiser, Beyerdynamic (Spezialität: Bändchenmikrofone).

Wichtige Hersteller von Kondensatormikrofonen:
Neumann (gehört seit 1991 zur Fa. Sennheiser), Sennheiser (Spezialität: HF-Kondensatormikrofone), Microtech Gefell GmbH (in Gefell, ehemals Fa. Neumann, später VEB Mikrofontechnik Gefell), Schoeps, Danish Pro Audio (ehemals Brüel & Kjaer).

Wichtige Hersteller von Messmikrofonen:
Brüel & Kjaer, GRAS, Microtech Gefell GmbH, Norsonic.

Wandlerprinzipien

Von der akustischen Bauform des Mikrofons abhängig folgt die Wandlung dem Schalldruck (Druckmikrofon, ungerichtetes Mikrofon) oder dem Schalldruckgradienten (Druckgradientenmikrofon, gerichtetes Mikrofon). Wandlerprinzipien können wie folgt kategorisiert werden :

Dynamisches Mikrofon

Hauptartikel: Dynamisches Mikrofon

Dynamisches Mikrofon zur Aufnahme von Sprache und Gesang

Das Dynamische Mikrofon arbeitet nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion. Technisch betrachtet führt beim Dynamischen Mikrofon die Geschwindigkeit der Membranbewegung zum Signal, nicht die momentane Auslenkung, daher bezeichnet man es auch als Geschwindigkeitsempfänger. Der Haupteinsatzbereich von Dynamischen Mikrofonen ist der Live-Bereich.

Tauchspulenmikrofon

Hauptartikel: Dynamisches Mikrofon

Schema eines Tauchspulenmikrofons

Das Tauchspulenmikrofon ist eine Bauform des Dynamischen Mikrofons. Es ist sowohl die Bauform des Druckgradientenmikrofons als auch die des Druckmikrofons üblich.

Der Begriff bezieht sich auf den Aufbau des Wandlers: Bei Tauchspulmikrofonen ist die Membran wie bei einem elektrodynamischen Lautsprecher fest mit einer Spule (Tauchspule) verbunden, die durch die Membranbewegung in einem dauermagnetischen Feld (Luftspalt eines Topfmagneten) bewegt wird. Die relative Bewegung von Spule und Magnetfeld erzeugt durch Induktion die Signalspannung.

Tauchspulenmikrofone haben aufgrund der Spulenmasse und ihrer weichen Aufhängung gute Tiefenwiedergabe, jedoch ein nach oben begrenztes Wiedergabespektrum und eine gewisse Frequenzgangverzerrung sowie schlechtes Impulsverhalten aufgrund ihrer Eigenresonanz, was bei höheren Ansprüchen negativ bewertet wird, aber für bestimmte Zwecke dennoch erwünscht sein kann (Gesangsmikrofon). Sie sind eher für Nahaufnahmen geeignet, da ihre nichtlinearen Verzerrungen auch bei hohen Schallpegeln gering sind.

Die Vorteile dieses Mikrofontyps sind:

• relativ robust gegenüber mechanischen Belastungen
• verträgt hohe Schalldrücke (vorteilhaft bei Gesang und lauten Instrumenten)
• benötigt keine Spannungsversorgung
• relativ preisgünstig

Bändchenmikrofon

Skizze eines Bandmikrofons

Hauptartikel: Dynamisches Mikrofon

Ein Bändchenmikrofon (engl. Ribbon Microphone) ist eine Bauform des Dynamischen Mikrofons. Bei diesem Mikrofontyp sind Wandlerprinzip und akustische Funktionsweise eng verknüpft.

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. Bei Anregung durch eintreffenden Schall induziert die Bewegung im Magnetfeld eine der Bewegungsgeschwindigkeit entsprechende Spannung, die an den Enden der Aluminiumstreifen abgegriffen werden kann.
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. Die akustische Bauweise ist daher die eines Druckgradientenmikrofons. Daraus folgt auch die Richtcharakteristik einer Acht. Bändchenmikrofone sind nicht für die Aufnahme tiefster Frequenzen geeignet.

Kondensatormikrofon

Hauptartikel: Kondensatormikrofon

Schema eines Kondensatormikrofons

Das Kondensatormikrofon (engl. Condenser) arbeitet nach dem physikalischen Prinzip des Kondensators. Da 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 umgangssprachlich als Mikrofon-Klasse etabliert, da klangliche Eigenschaften mit dem Prinzip der Wandlung eng verknüpft sind.

Prinzip

Kondensatorkapsel Oktava 319

Beim Kondensatormikrofon ist eine wenige tausendstel Millimeter dicke, elektrisch leitfähige Membran dicht vor einer 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 Plattenkondensator, der eine elektrische 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- einem elektrischen Signal. Um das Potentialgefälle zwischen den Kondensatorplatten zu erreichen sowie zur Versorgung des Mikrofonverstärkers (Impedanzwandler) ist eine Spannungsquelle notwendig. Üblicherweise nutzt man die 48Volt Phantomspeisung des Mikrofonvorverstärkers oder des Mischpults; siehe auch: Symmetrische Signalübertragung.

Richtcharakteristiken

Kondensatorkapseln sind sowohl als Druckmikrofon wie auch als Druckgradientenmikrofon gebräuchlich. Manche Kondensatormikrofone haben eine umschaltbare Richtcharakteristik. Ermöglicht wird dies durch die Kombination zweier Druckgradientenmikrofone (Doppelgradientenmikrofon) .

Der Kondensatorschallwandler ist heute wegen der hohen Signalqualität Recordingstandard in Tonstudios. Er ist allerdings recht empfindlich und kann sogar durch sehr hohen Schalldruck beschädigt werden. Im Beschallungs- und Livebereich dominieren daher dynamische Schallwandler.

Elektret-Kondensatormikrofon

Hauptartikel: Elektretmikrofon

Elektretmikrofonkapseln: billig, kompakt und robust

Das Elektretmikrofon ist eine mit dem Kondensatormikrofon eng verwandte Bauform. Zwischen den Kondensatorplatten befindet sich eine Elektretfolie, in der die Membranvorspannung sozusagen „eingefroren“ ist. Ein Mikrofonverstärker (Impedanzwandler) zur Verstärkung der schwachen Signalströme befindet sich in der Mikrofonkapsel. Es wird mit 1,5 Volt eine viel geringere Spannung als beim reinen Kondensatormikrofon benötigt (48 Volt). Der Strombedarf von 1mA begünstigt den Einsatz in mobilen Geräten.

Elektretmikrofone sind mit 90 % Marktanteil die weltweit am häufigsten hergestellten und eingesetzten Mikrofone. Dank ihrer extrem kompakten Bauweise, des geringen Preises und der für viele Zwecke ausreichenden Signalqualität werden Elektretmikrofone in sehr großen Stückzahlen hergestellt. Sie finden sich in praktisch jedem modernen Sprachkommunikationsmittel (Headsets, Handys, Hörgerät, etc). 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.
Elektretmikrofone eignen sich nicht für große Schallamplituden - sie erzeugen dann nichtlineare Verzerrungen.

Kohlemikrofon

Hauptartikel: Kohlemikrofon

Kohlemikrofonkapsel, Telefon, 1976

Als Kohlemikrofon wird ein elektroakustisches Wandlerprinzip bezeichnet, bei dem die Druckschwankungen des Schalls Änderungen eines elektrischen Widerstandes bewirken. Zur Wandlung dient dabei der druckabhängige Übergangswiderstand im hinter der Membran gelagerten Kohlegranulat.
Kohlemikrofone besitzen schlechte Wiedergabeeigenschaften; die Masse der Metallmembran begrenzt und verzerrt den Frequenzgang, die Kohlekörner verursachen insbesondere bei Bewegung Rauschen. Durch die nichtlinearen Zsammenhänge zwischen Druck und Übergangswiderstand der Kohlekörner entstehen nicht reproduzierbare, nichtlineare Verzerrungen.

Vorteile und Einsatzgebiet
Der Hauptvorteil des Kohlemikrofones ist dessen hohes Ausgangssignal - es liefert in einem Gleichspannungskreis einen für die Fernübertragung und Wiedergabe mit einer elektromagnetischen Hörkapsel ausreichendes Signal. Verstärkung ist nicht notwendig.
Kohlemikrofone wurden daher früher in großer Stückzahl in Telefonen eingesetzt. Man geht davon aus, dass durch die Erfindung des Kohlemikrofons die Entwicklung des Fernsprechwesens außerordentlich beschleunigt wurde. In der professionellen Tontechnik ist das Kohlemikrofon bereits in den 1920er und 1930er Jahren vom Kondensatormikrofon verdrängt worden . In der Kommunikationstechnik dominiert heute das Elektretmikrofon den Markt.

Piezo- oder Kristallmikrofon

Hauptartikel: Piezomikrofon

Schema eines Piezomikrofons

Ein Piezomikrofon ist eine Mikrofonbauform, deren Wandlerprinzip auf den Eigenschaften piezoelektrischer Elemente beruht. Eine Membran folgt den Druckschwankungen des Schalls. Sie ist mechanisch mit einem piezoelektrischen Element gekoppelt. Es wird durch die Druckschwankungen minimal verformt und gibt diese als elektrische Spannungsschwankungen aus. Als piezoelektrisches Material wird meist die Piezokeramik Blei-Zirkonium-Titanat (PZT) verwendet.

Solche Mikrofone waren in den 30er bis 50er Jahren des 20. Jahrhunderts populär. Sie sind mechanisch robust und haben Vorteile durch ihre simple Bauweise. Ein großer Nachteil dieser Wandlertechnik ist der hohe Klirrfaktor. Sie eignen sich prinzipiell nicht für hochqualitative Aufnahmen und konnten sich auch in der Telekommunikationstechnik nicht gegen das Kohlemikrofon durchsetzen. Die Schwingungswandlung durch piezoelektrische Elemente ist hingegen bei Kontaktschallwandlern (Tonabnehmer in Plattenspielern und für Instrumente, Körperschallaufnehmer, Schwingungsaufnehmer) weit verbreitet. Die hier zur Verfügung stehenden Kräfte sind in der Regel wesentlich größer und führen zu besseren Übertragungseigenschaften als es bei Luftschall der Fall ist.

Kenngrössen

Empfindlichkeit

Mikrofone wandeln Schalldruck in Wechselspannung um. Man misst die sog. Kennempfindlichkeit in Millivolt pro Pascal (mV/Pa). Die Kennempfindlichkeit steigt etwa proportional mit der Membrangröße. So haben zum Beispiel kleine 1/4 Zoll Kapseln 5...10 mV/Pa, 1/2 Zoll Kapseln bis 30...50 mV/Pa, 1 Zoll Kapseln kommen bis auf 100 mV/Pa.

Zusammenhang zu Hör- und Schmerzschwelle

Lautheit lässt sich nur mit Mikrofonen messen. Eine Kapsel mit 50 mV/Pa kann als Normativ der Lautheit gelten: zufällig gibt sie an der Hörschwelle oder Wahrnehmungsgrenze, die technisch als 0 dB (Dezibel) mit 20 µPa definiert ist, gerade 1µV ab. Entsprechend gibt sie an der Schmerzschwelle von 120 dB genau ein Volt ab (das sind sechs Zehnerpotenzen mehr). Ab 140 dB (10 Volt effektiv ~ 28 Volt Spitze-Spitze) wird die Messung von Schalldrücken dann problematisch. Hier benötigt man Mikrofonvorverstärker mit großem Signalhub.

Rauschen

Schaltbild: Elektretkapsel mit Impedanzwandler

Je kleiner eine Kapsel ist, desto stärker ist sie aufgrund geringerer Kennempfindlichkeit anfällig für Rauschen. Ursache des Rauschens ist dabei aber nicht die Mikrofonmembran, sondern der Innenwiderstand der Kapsel. Dies ist zum Beispiel bei dynamischen Mikrofonen der Widerstand der Tauchspule, beim Elektretmikrofon der Lastwiderstand. Je höher der Innenwiderstand ist, desto mehr rauscht das Mikrofon, umso höher ist in der Regel jedoch auch die Ausgangsspannung. Verglichen mit Tauchspulmikrofonen besitzen Elektretkapseln einen mindestens zehn Mal höheren Abschlusswiderstand und damit mindestens √10-mal (√10≈3) höheres Rauschen - sie liefern jedoch auch wesentlich höhere Signalspannungen.

Um auf das Niveau guter Mikrofonverstärker mit einem Eingangsrauschen kleiner 1,8 nV/√Hz zu kommen, muss der Innenwiderstand des (Tauchspul-) Mikrofons bereits 200 Ω unterschreiten.

Eine Elektretkapsel mit einem durch den Verstärkungstransistor bedingten Widerstand größer 5 kΩ generiert etwa 9 nV/√Hz, jedoch eine Signalspannung, die bereits so hoch ist, dass sie nur wenig verstärkt zu werden braucht – ein rauscharmer Mikrofonverstärker ist daher für diese Mikrofone nicht erforderlich.

Impedanz

Während dynamische Mikrofone Impedanzen meist um 600 Ohm besitzen, besitzen Elektretfolien extrem hohe Impedanzen. In Elektretkapseln ist generell ein Feldeffekttransistor (FET) als Impedanzwandler integriert. Der FET wird an Abschlusswiderständen im Bereich zwischen 1 und 5 kOhm betrieben. Je hochohmiger der Ausgang des Mikrofons ist, desto stärker macht sich die Kabelkapazität der Anschlussleitung bemerkbar: hohe Frequenzen werden durch lange Kabel gedämpft.

Frequenzgang

Frequenzgänge zweier Druckgradientenmikrofone

Je kleiner und je leichter die Membran (und gegebenenfalls die Tauchspule) ist, desto weniger Eigenresonanzen besitzt sie im hörbaren Frequenzband (20 Hz bis 20 kHz). Je weniger sie selbst in Resonanz gerät, desto unverzerrter gibt sie den Klang wieder. So ist es beispielsweise bei Elektretkapseln bis 1/2" möglich, die Resonanzfrequenz der Membran außerhalb des Nutzbandes zu positionieren. Bei größeren Membranen wie auch bei Tauchspul-Mikrofonen gelingt dies meist nicht.
Tauchspulenmikrofone weisen zwar ein relativ gutes Signal/Rauschverhältnis auf, ihr Frequenzgang ist bauartbedingt jedoch nach oben begrenzt. Das Gewicht der Spule verursacht Trägheit und Resonanzen, die unvermeidbar im Nutzband liegen.

Ausgesprochen starke Eigenresonanzen haben auch Piezomikrofone.

Kondensatormikrofone, besonders aber Bändchen- und kleine Elektretmikrofone sind auch für Ultraschall geeignet.

Klirrfaktor

Dynamische Mikrofone:
Nichtlineare Verzerrungen kommen hier in der Regel nur bei sehr großen, nicht relevanten Schallpegeln vor. Eine Rolle können jedoch Parasitärschwingungen der Membran spielen, deren Steifigkeit daher durch spezielle Formgebung erhöht wird.

Elektret- und Kondensatormikrofone:
Der nichtlineare Zusammenhang der Membranauslenkung zur abgegebenen Spannung verzerrt prinzipbedingt das Signal ab bestimmten Pegeln nichtlinear, wodurch Oberwellen entstehen. Das trifft besonders auf Elektretmikrofone zu.

Elektromagnetische Störempfindlichkeit, Brummen

Elektromagnetische Störungen machen sich oft als Brummen negativ bemerkbar. Als Ursache dafür kommt die Art des Anschlusses und die Leitungsführung in Betracht.

Ein Mikrofonkabel soll wenig Störeinkopplungen in das Signal zulassen. Die Störempfindlichkeit nimmt mit der Kabellänge zu. Die von unterschiedlichen Störquellen kommenden Signale lassen sich in den elektrischen (kapazitiven) und den magnetischen (induktiven) Anteil aufteilen.

Eine gute Abschirmung des Kabels kann den elektrischen Störeinfluss beseitigen, gegen magnetische Störungen sind koaxiale Kabel ohnehin unempfindlich.
Dynamische Mikrofone sowie die Anpassübertrager in Bändchenmikrofonen sind jedoch potentielle, empfindliche Empfänger für magnetische Wechselfelder. Dem begegnet man mit magnetischen Abschirmungen.

Die häufigsten Brummstörungen entstehen jedoch durch Erdschleifen ((auch Brummschleifen genannt). Diese können durch differenzielle (symmetrische) Leitungsführung bzw. getrennt zur Abschirmung geführte Masseleitungen beseitigt werden.

Mikrofonkabel haben teilweise einen Mikrofonieeffekt, sie sind empfindlich gegen Trittschall und Bewegung, wenn ihre Umflechtung bzw. Abschirmung bei Bewegung wechselnde Kontaktwiderstände erzeugt. Das ist besonders bei Phantomspeisung oder Erdschleifen als Rauschen bemerkbar. Möglicherweise können auch Abstandsänderungen zwischen Schirm und Seele sowie der Kontakt zu Schirmfolien eine Rolle spielen. Mikrofonie-Armut ist ein Qualitätskriterium für Mikrofonkabel.

Windschutz (Popschutz)

Mikrofone müssen oft vor Luftströmungen geschützt werden, die beim Sprechen (Popschutz) oder im Freien (Windschutz) auftreten. Verwendet werden Schaumstoff- oder Fellüberzüge sowie in Ton-Studios auch Popschirme.

Bei Sprachwiedergabe oder ausschließlich höheren Frequenzen kann alternativ auch der Frequenzgang nach unten begrenzt werden („low-cut“), dann können jedoch Intermodulationsverzerrungen auftreten.

Viele Mikrofone haben bereits einen Windschutz eingebaut.

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- Stecker, 3-Pol + Gehäusemasse	NAB 6,35 mm Klinkenstecker, 3-Pol	NAB 3,5 mm Klinkenstecker, 3-pol	Groß- / Kleintuchelstecker, 3-pol + Gehäusemasse; auch: 5-pol
Anwendung	Monomikrofon, Studio und Bühne	Monomikrofon, Stereomikrofon, Homerecording	Stereomikrofon, Homerecording	Monomikrofon, alter Standard Ansteckmikrofone
Belegung	Pin1 = Masse Pin2 = Hot Pin3 = Cold Gehäuse = Schirmung	Tip = Hot / Links Ring = Cold / Rechts Ground = Masse, Schirmung	Tip = Links Ring = Rechts Ground = Masse	Pin1 = Hot Pin2 = Masse Pin3 = Cold
Kabel	dreiadrig, geschirmt	dreiadrig, evtl. geschirmt	dreiadrig, ungeschirmt	dreiadrig, geschirmt
andere Anwendungen	Stereosignale Linesignale digital audio (AES/EBU) Lautsprechersignale DMX (Lichttechnik)	Stereosignale Linesignale Lautsprechersignale Insertsignale (Tonstudio)	Kopfhörersignale Linesignale Remotesteuerung	Mikrofonsignale Lautsprechersignale Stereosignale Line IN/OUT

Diese Anschlussnormen sind heute am gängigsten. Ältere Mikrofone haben eventuell einen DIN- oder Tuchelstecker. Man kann sie dann umlöten oder einen Adapter bauen. Vereinzelt gibt es auch den „Klein-Tuchel“ − speziell bei kompakten Ansteckmikrofonen mit separatem Funksender.
Bei allen Mikrofonsteckern gilt: Der „Male“-Stecker gibt das Signal ab, der „Female“-Stecker nimmt das Signal an.

Akustische Bauformen

Die akustische Bauform ist entscheidend für die Richtcharakteristik und den Frequenzgang. Im Gegensatz zu Lautsprechern spielt die Membrangröße bei Mikrofonen bezüglich deren Tiefenwiedergabe eine geringere Rolle, da Mikrofone wie die menschlichen Ohren lediglich als Sensoren wirken und nicht wie Lautsprecher Luft im tieffrequenten Bereich mit möglichst geringem Hub zu verdichten haben.
Eine Ausnahme sind Infraschall-Sensoren.

Richtcharakteristik

Hauptartikel: Richtcharakteristik

Reflexionsarmer Raum TU Dresden

Frequenzabhängigkeit der Richtwirkung

In der Mikrofontechnik beschreibt die Richtcharakteristik im 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 akustischen Bauform der Mikrofonkapsel und von äußeren Formelementen (z. B. Richtrohrmikrofon). Die Stärke der Richtwirkung beschreibt man mit dem Bündelungsgrad bzw. dem Bündelungsfaktor. Die Richtcharakteristik von Mikrofonen wird in reflexionsarmen Räumen im Direktfeld D gemessen. Dabei wird das Mikrofon in 1m Abstand von einer 1kHz- Schallquelle gedreht und dabei der Ausgangspegel des Mikrofonsignals in Abhängigkeit vom Einfallswinkel gemessen.

Die Richtwirkung ist durch charakteristische Muster gekennzeichnet :

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

Kugel (Omnidirectional)	Acht (Bidirectional)	Keule (Directional)

Ein reines Druckmikrofon besitzt keine Richtwirkung, also eine kugelförmige Richtcharakteristik (omnidirektional). Ein Druckgradientenmikrofon in seiner reinen Form (z.B. Bändchenmikrofon) liefert als Richtcharakteristik eine Acht . Als standardisierte Formen zwischen Kugel- und Achtercharakteristik gibt es „breite Niere“, „Niere“, „Superniere“ und „Hyperniere“ . Die Richtcharakteristik „Keule“ wird durch das Prinzip des Interferenzrohres gewonnen (Richtrohrmikrofon).

Breite Niere (Subcardioid)	Niere (Cardioid)	Superniere (Supercardioid)	Hyperniere (Hypercardioid)

Aufgrund von den komplexen Verhältnissen des Schallfelds weicht der reale Richtcharakter in der Praxis von diesen theoretischen Mustern individuell ab. Starke Abweichungen der Muster sind dann zu beobachten, wenn die Wellenlänge der Signalfrequenz sich im Bereich des Kapseldurchmessers bewegt. Daher sind diese Musterverzerrungen desto geringer, je kleiner der Membrandurchmesser ist. Bei Druckgradientenmikrofonen, deren Richtcharakter durch akustische Laufzeitelemente oder Doppelmembranbauweise von der reinen Acht etwa zur Niere modifiziert wurde, sind die größten Abweichungen zu erwarten. Bei Druckempfängern führen etwa der Druckstaueffekt wie auch Schallabschattung durch den Mikrofonkörper zu einer Richtwirkung bei hohen Frequenzen .

Druckmikrofon

Prinzip eines Druckmikrofons

Hauptartikel: Druckmikrofon

Druckempfänger arbeiten vorwiegend ungerichtet und werden auch für Messzwecke und als Infraschall-Mikrofon eingesetzt.

Bei einem Druckmikrofon (Mikrofon mit Druckcharakteristik, Druckempfänger) ist die Mikrofonkapsel mit der Membran im Gegensatz zu der eines Druckgradientenmikrofons rückseitig geschlossen. Ein typisches Beispiel sind kleine Elektretmikrofone, z.B. zum Anstecken/Anklemmen an die Kleidung oder an Headsets. .

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 in gleicher Phasenlage wiedergegeben. Das Druckmikrofon reagiert ähnlich wie ein Barometer auf Luftdruckschwankungen. Daher kann ein solches Mikrofon auch bei sehr tiefen Frequenzen bis in den Infraschallbereich eingesetzt werden. In der Messtechnik werden daher üblicherweise Druckmikrofone verwendet.

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.

Grenzflächenmikrofon

Hauptartikel: Grenzflächenmikrofon

Grenzflächenmikrofon

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 meist eine Druckmikrofonkapsel membranflächenbündig eingelassen ist. Seine Richtcharakteristik ergibt somit eine Halbkugel. Die Wandler sind üblicherweise in Kondensator- oder Elektretbauweise ausgeführt. Diese Bauart wurde entwickelt, um die vorteilhaften akustischen Eigenschaften auszunutzen, die an schallreflektierenden Flächen auftreten, ohne das Schallfeld selbst zu beeinträchtigen. Das Mikrofon wird auf eine große schallreflektierende 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:

• An schallharten Flächen treten keine störenden Reflexionen auf, da diese hier erst entstehen
• In Räumen werden deren Eigenresonanzen von diesem Mikrofon weniger aufgenommen; Durch die Platzierung des Mikrofons an einer Begrenzungsfläche entstehen keine klangfärbenden Kammfiltereffekte, wie sie innerhalb des Raums auftreten. Bei sich bewegenden Schallquellen ergeben sich keine Klangfarbenunterschiede.
• Raumsignale R sind gegenüber den Direktsignalen D um 3 dB (25%)gedämpft, was eine Bevorzugung des Direktschalls bedeutet

Oft wird die spezielle Raumsignal-Dämpfung in Kauf genommen und Grenzflächenmikrofone zur Aufnahme gerade von Raumsignalen eingesetzt. Das hat den Grund, dass Räume damit besser „klingen“, da bei Grenzflächenmikrofonen Eigenresonanzen und Kammfiltereffekte weniger zum Tragen kommen.

Druckgradientenmikrofon

Hauptartikel: Druckgradientenmikrofon

Bei einem Druckgradientenmikrofon (Mikrofon mit Druckgradientencharakteristik) ist die Mikrofonkapsel im Gegensatz zu einem Druckmikrofon rückseitig offen – die Membran ist für den Schall von allen Seiten zugänglich. Diese Mikrofonbauform wird wissenschaftlich auch als Druckgradientenempfänger oder Schnelle-Empfänger bezeichnet.

Prinzip und Eigenschaften

Prinzip des Druckgradientenmikrofons

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 bzw der Schallschnelle. Ein typisches Beispiel ist das Bändchenmikrofon.

Die Druck-Differenz ergibt sich, da der Schall die Trägheit der Membran bzw. des Bändchens überwinden muss, um sie/es mitzunehmen, bzw. darumwandern muss, um sich auch auf der Rückseite auszuwirken. Die dazu benötigte Zeit Δt resultiert in einer „Druckdifferenz“ (einem Druckgradienten).

Δp = p_vorn - p_hinten

Bei gegebenem Δt ist der Druckgradient um so höher, je schneller der Schalldruckwechsel erfolgt. Zu tiefen Frequenzen hin sinkt der resultierende Druckgradient Δp entsprechend ab. Siehe: akustischer Kurzschluss.

Trifft ein Signal genau von der Seite (90°) auf die Membran, so ergibt sich keine Druckdifferenz und somit auch keine Membranbewegung. Bei Beschallung der Membranrückseite ist die Phasenlage des Mikrofonsignals 180° gedreht (invertiert). .

Die Richtcharakteristik ist in der beschriebenen symmetrischen Grundbauweise die einer Acht. Durch die Gestaltung des Mikrofons lassen sich auch andere Richtcharakteristiken realisieren, 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.

Richtmikrofone

Richtrohrmikrofon

Hauptartikel: Richtrohrmikrofon

Interferenz- oder Richtrohrmikrofon

Bei einem Richtrohrmikrofon, auch Interferenzmikrofon (engl. shotgun mic) ist der Mikrofonkörper durch ein vorgebautes Interferenzrohr ergänzt.
Ein Richtrohrmikrofon besitzt eine ausgeprägte Keulencharakteristik, die durch ein vor ein Druckgradientenmikrofon vorgebautes, mit seitlichen Schlitzen oder Bohrungen versehenes, nach vorn offenes Interferenzrohr zustande kommt. Dieses bewirkt, abhängig von der Rohrlänge, eine deutliche Verstärkung der Richtwirkung ab etwa 1-2 kHz. Bei tieferen Frequenzen entspricht die Richtwirkung der der Mikrofonkapsel (Nieren- oder Supernierencharakteristik).

Als Wandler sind Kondensator- oder Elektretmikrofone üblich .

Richtmikrofon mit Reflektor

U.a. zur Vogelbeobachtung werden häufig Mikrofone im Inneren eines Parabolspiegels als Richtmikrofon verwendet. Die Richtwirkung tritt - abhängig von der Speiegelgröße - nur bei hohen Frequenzen (ab etwa 1 kHz) ein und erreicht bei mehreren Kilohertz beträchtliche Werte, die es z.B. ermöglichen, einzelne Vogelstimmen über große Entfernungen zu selektieren.

Anwendung

Den Einsatz von Mikrofonen bezeichnet man als Mikrofonierung. Dabei wird je nach Anwendung nach technischen, klanglichen oder wirtschaftlichen Gesichtspunkten optimiert.

Anwendungsbezogene Bauformen

Handmikrofon mit Sprechtaste (ca. 1977)

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,
  • Klemm-, Ansteck- oder Lavaliermikrofon
  • Durchsagemikrofon mit Sprechtaste, stationäre Verwendung mit Standfläche und „Schwanenhals“ oder als Handmikrofon für z.B. Sprechfunkgeräte.
  • Headsets

• Sonderbauformen:
  • Lasermikrofon,
  • Unterwassermikrofon.

Mikrofonsysteme

Zwei Mikrofone zusammen bilden ein Mikrofonsystem für Stereoaufnahmen, die damit einen ganz bestimmten Aufnahmebereich für die Hörereignisrichtung auf der vollen Stereo-Lautsprecherbasis einfangen. 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- Mikrofonierung mit bis zu fünf Kanälen zur Aufzeichnung von besonders räumlichen 5.1 Surroundsignalen dar.

Messtechnik

In der akustischen Messtechnik arbeitet man mit Mikrofonarrays, welche eine Lokalisierung von Schallquellen im Zentimeterbereich erlauben.

Siehe auch

• Telefon | Erfindung des Telefons
• Akustik | Stereofonie | Richtcharakteristik | Aufnahmebereich | Mikrofonierung | Stützmikrofon | Laufzeitstereofonie | Abstandsgesetz
• Schalldruck | Schalldruckpegel | Schallschnelle | Schallschnellepegel | Schallfeld | Schallfeldgröße | Empfindlichkeit (Technik)
• Headset (Sprechgarnitur, Mikrofon-Kopfhörer) | Mikrofon-Windschutz
• Liste von Mikrofonherstellern

Literatur

• Thomas Görne: Mikrofone in Theorie und Praxis. Elektor-Verlag, Aachen, ISBN 3-928-05176-8
• Michael Dickreiter: Handbuch der Tonstudiotechnik. (1997), Saur-Verlag, 2 Bände, ISBN 3-598-11320-X
• 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. PPV-Medien, Bergkirchen, ISBN 3-932-27554-3
• Anselm Rößler: Neumann – The Microphone Company. PPVMEDIEN, Bergkirchen, ISBN 3-932-27568-3

Weblinks

Commons: Mikrofone – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

• Mikrophone (Buch) von Gerhart Boré / Stephan Peus, Georg Neumann GmbH - pdf
• Mikrofonaufsätze von Jörg Wuttke, Schoeps - pdf
• Mikrofon-Lautstärke: Umrechnung von Empfindlichkeit in dB re 1 V/Pa in Übertragungsfaktor in mV/Pa
• Historische Mikrofone, mit Klangbeispielen
• Schöne Fotos - Vintage Microphones
• Forum für Mikrofonaufnahme und Tonstudiotechnik
• Probleme mit Elektretmikrofonen - engl.
• Ehrung des Erfinders des Elektretmikrofons
• Alle Mikrofon-Richtcharakteristiken und weitere Parameter