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Mikrofone in Theorie und Praxis (Teil 1)

Beitragsreihe Technik
von Theo Bleitgen

Mit diesem Kapitel soll eine Serie von theoretischen Grundlagen zur Mikrofontechnik eröffnet werden, die dem Bastler sowie auch dem technisch versierten Mitglied im VTF als Hilfestellung für seine Forschungsarbeiten dienen soll. Dabei wird die physikalische Wirkungsweise der verschiedenen Mikrofontypen mit ihren akustischen und elektrischen Komponennten vorgestellt und behandelt werden.

Um diesen ersten Beitrag nicht zu sehr mit psychoakustischen Grundlagen und elektrischen Kenngrößen für Mikrofone zu belasten, sollen nur bestimmte Konstruktionsmerkmale aufgezeigt werden. Zu diesem Zweck wenden wir uns zunächst dem im VTF verwendeten Hannoverschen Mikrofon zu, dessen Namengebung einem VTF-internen Interesse entstammt. Um einem Irrtum vorzubeugen: die Bezeichnung "Hannoversches Mikrofon" wird in keinem Fachbuch, keinem Lexikon und in keinen Herstellerangaben irgend eines Mikrofonherstellers zu finden sein! Es ist auch nicht über den Handel zu beziehen.

Bei diesem Mikrofon handelt es sich um ein sogenanntes Elektretmikrofon welches zu der Gruppe der Kondensatormikrofone zählt, die auch unter der Bezeichnung Elektrostatische Wandler bekannt sind. Die Mikrofonkapsel selbst ist, ohne Vorverstärker, handelsübliche Ware, die in bestimmten Qualitätsabstufungen überall im Fachhandel erhältlich ist.

Die Abbildung zeigt im Größenvergleich mit einem Finger, wie winzig die eigentliche Mikrofonkapsel ist. Für Spezialzwecke werden Kapseln hergestellt, die nur die Größe eines Streichholzkopfes erreichen.

Abbildung 1

Im Gegensatz zu den ebenfalls im VTF benutzten dynamischen Mikrofonen, welche nach dem umgekehrten Lautsprecherprinzip arbeiten und zum Betrieb keinerlei zusätzliche Spannungsquellen benötigen, benötigt das Elektretmikrofon entweder eine Batterie, oder eine externe Gleichspannungsquelle. Diese Tatsache soll jedoch nicht zu der Annahme verleiten, daß alle Elektretmikrofone generell Verstärkermikrofone wären.

Wie bereits erwähnt, zählt das Elektretmikrofon zu der Gruppe der Kondensatormikrofone, bei denen die hohe Kapselimpedanz von mehreren Megohm mittels eines Feldeffekttransistors auf die niedrigere Eingangsimpedanz von Recordern, Verstärkern und Mischpulten transformiert werden muß. Der Transistor als Impedanzwandler benötigt also die Batteriespannung.

Nicht selten wird allerdings auch die Ausgangsspannung des Impedanzwandlers etwas mitverstärkt, so daß man entfernt von einem Mikrofon mit Vorverstärker sprechen könnte.

Das hier vorgestellte Hannoversche Mikrofon stellt mit seinem regelbaren Vorverstärker eine Ausnahme dar, da es (außer der Mikrofonkapsel) für unsere Zwecke speziell entwickelt wurde. Die Kapselkonstruktion ist so ausgelegt, daß sie sowohl den mechanischen, wie auch den elektrischen Wandler in einem gemeinsamen Gehäuse aufnimmt. Der eigentliche Mikrofon-Vorverstärker befindet sich extern auf einer separaten Platine. Das Hannoversche Mikrofon ist mit einer sogenannten Druckempfängerkapsel ausgerüstet und der Name deutet darauf hin, daß sie den Schalldruck in einer Schallwelle verarbeitet.

Ein Druckempfänger besteht, vereinfacht ausgedrückt aus einem Becher, der von einer beweglich eingespannten Membran abgeschlossen ist. Die Membran reagiert dann auf Luftdruckänderungen. Nimmt der Druck zu, bewegt sich die Membran nach innen, nimmt der Druck ab, bewegt sie sich nach außen. Die vom Mikrofon abgegebene Spannung ist proportional zu der Luftdruckänderung.

Die Abbildung zeigt in vereinfachter Form die mechanische Funktionsweise der Druckempfängerkapsel.

Abbildung 2

Dies ist übrigens das gleiche Prinzip wie der im Wohnzimmer verwendete Luftdruckmesser, bei welchem die Membran mit einem Zeiger verbunden ist, der den entsprechenden Luftdruck anzeigt. Daraus, daß der Druckempfänger nur auf die Druckänderung in einer Schallwelle reagiert, ergeben sich zwei Besonderheiten die im folgenden beschrieben werden.

Druckempfänger haben keine Richtwirkung: Streicht eine Schallwelle über die Kapsel, so wird im relativen Überdruck die Membran nach innen gedrückt, im relativen Unterdruck nach außen. Unabhängig, aus welcher Richtung die Schallwelle auf das Mikrofon trifft, wird die Mikrofonmembran in Bewegung geraten. Das funktioniert natürlich nur, solange die Wellenlänge größer ist als der Kapseldurchmesser und der Schall deshalb nicht von dem Mikrofon reflektiert wird. Die nach allen Seiten gleiche Empfindlichkeit der Druckempfängerkapsel wird als Kugelcharakteristik bezeichnet.

Druckempfänger sind ideale Tieftonmikrofone: Wie langsam sich auch der Luftdruck in einer, an der Mikrofonmembran vorbeistreichenden Welle ändert, die Membran wird stets ausgelenkt. Druckempfänger arbeiten bei beliebig tiefen Frequenzen. Wäre die Kapsel allerdings vollständig luftdicht, dann würde sie auch ein nahendes Hochdruckgebiet durch einen Membranausschlag anzeigen. Deshalb haben alle als Mikrofon verwendeten Druckempfängerkapseln eine Druckausgleichsöffnung (Kapillare), deren Größe die akustisch untere Grenzfrequenz der Kapsel festlegt.

Anmerkung: Studiomikrofone mit Druckempfängerkapsel übertragen problemlos und ohne Klangverfärbung noch Frequenzen bis 20 Hz. Für Messzwecke werden sogar Druckempfänger mit einer unteren Grenzfrequenz von weniger als 1 Hz gebaut. Auch unser Ohr ist ein Druckempfänger!

Die Abbildung zeigt die schematische Darstellung und Wirkungsweise eines Kondensatormikrofons. Die Membran und die fixierte Gegenelektrode, die meist aus einem massiven durchlöcherten Metallblock besteht (hier schwarz angedeutet) sind elektrisch aufgeladen und bilden einen Plattenkondensator.

Abbildung 3

Das Kondensatormikrofon funktioniert also nach dem elektrostatischen Prinzip. Auftreffende Schallwellen bewirken eine Veränderung des Plattenabstandes, was zu einer entsprechenden Kapazitätsänderung führt. Um diese auswerten zu können wird die Kapsel (Kondensator) mit einer Gleichspannung aufgeladen. Im Rhythmus des Schallereignisses wird die entstehende Wechselspannung über einen Impedanzwandler zum nachgeschalteten Verstärker geschickt. Kondensatormikrofone produzieren sehr impulsgetreue, transparente, und frequenzmäßig ausgeglichene Klangbilder infolge ihrer extrem leichten Membran. Ihr Preis bewegt sich allerdings im Bereich von etwa 1700,- bis 6000,- DM.

Die nächste Abbildung zeigt die komplette Vorverstärkerschaltung eines Kondensatormikrofons. Zur Impedanzwandlung dient ein Feldeffekttransistor (FET). Die spiegelbildlich aufgebaute Ausgangsstufe liefert ein eisenlos symmetrisches Signal an den Pins 2 (+) und 3 (-) des Anschlußsteckers. Pin 1 ist mit Masse verbunden.

Abbildung 4

Die Kondensatorkapsel wird mit einem sehr großen Ladewiderstand Rl (einige Megohm bis Gigaohm) in Reihe geschaltet und über eine externe Spannungsversorgung auf eine definierte Gleichspannung aufgeladen. Der Ladewiderstand wird so groß gewählt, daß bei akustischer Anregung der Kapsel oberhalb einer geforderten Grenzfrequenz keine nennenswerten Ausgleichsströme zwischen Membran und Gegenelektrode fließen können. Wir sprechen dabei von einer hochohmigen Kapsel.

Die Anpassung von Mikrofonen an einen Verstärker, Mischpult, Tonbandgerät oder Recorder ist für die originalgetreue Übertragung von Signalen von ausschlaggebender Bedeutung.

Die Nennimpedanz ist ein Maß für den frequenzabhängigen elektrischen Widerstand des Mikrofons. Sie wird bei einer Frequenz von 1 kHz bestimmt und ändert sich mit dem am Mikrofon anliegenden Signal. Bei den in der professionellen und semiprofessionellen Technik eingesetzten Mikrofonen handelt es sich ausschließlich um niederohmige Typen, deren Nennimpedanz nicht wesentlich mehr als 200 Ohm beträgt.

Der Nenn-Abschlußwiderstand ist der empfohlene Mindest-Eingangswiderstand des Verstärkers, Mischpultes, Tonbandgerät oder Recorder. Niederohmige Mikrofoneingänge an den genannten Geräten haben meist einen Eingangswiderstand von etwa 1 Kiloohm, und die Hersteller garantieren ab diesem Wert die in den Datenblättern angegebenen Übertragungswerte. Nach einer Faustregel soll der Eingangswiderstand des Geräten etwa das 5-fache der Mikrofonimpedanz betragen. Werte darüber sind aber auf jeden Fall zulässig. Vorsicht ist geboten, wenn das Mikrofondatenblatt einen ungewöhnlich hohen Abschlußwiderstand verlangt. Dann sollte auch das Datenblatt des verstärkenden Gerätes zu Rate gezogen werden.

Die bereits angesprochenen Elektretmikrofone stellen eine preiswertere Alternative zu dem echten Kondensatormikrofon dar, denn sie kommen ohne eine Kapselvorspannung aus. Das Konstruktionsgeheimnis liegt in dem Membranmaterial der Elektretkapsel, dem sogenannten Elektret.

Als Elektrete werden Stoffe bezeichnet, die elektrisch polarisiert bleiben, nachdem sie vorher einem starken elektrischen Feld ausgesetzt wurden.

Heute werden bevorzugt Teflonfolien eingesetzt, welche durch Elektronenbeschuß permanent (ähnlich dem eines Permanentmagneten) elektrisch geladen werden und die ihre Ladung für die Dauer eines Mikrofonlebens beibehalten können.

Die Flächenladung auf der Oberfläche der metallisierten Elektretfolie ruft durch Influenz eine umgekehrte Flächenladung auf der Gegenelektrode hervor. Der Ladungsunterschied zwischen Elektret und Gegenelektrode hat dieselbe Wirkung wie eine äußere Spannung. Das Elektretmikrofon hat also die elektrische Kapselvorspannung schon "eingebaut"!

Elektretfolien sind allerdings nicht besonders gut für Mikrofonmembranen geeignet und befinden sich hauptsächlich in preisgünstigen Mikrofonen. Deshalb wird in besseren Kapseln meist die Gegenelektrode mit dem Elektret beschichtet, und die Membran kann aus hochwertigen Werkstoffen gefertigt werden. Diese Mikrofone werden auch als back plate Mikrofone bezeichnet.

Der auffälligste Unterschied zu den echten Kondensatormikrofonen ist die geringere Empfindlichkeit. Der Grund dafür ist der größere Abstand zwischen Membran und Gegenelektrode. Durch das Aufschmelzen des Elektrets auf die Gegenelektrode vergrößert sich der Abstand Membran / Gegenelektrode um die Dicke der Elektretfolie. Diese minimale Abstandsvergrößerung führt zu einer deutlich geringeren Ruhekapazität der Kapsel und damit auch zu einer geringeren Nutzspannung.

Die Herstellung von Elektretmikrofonen ist wesentlich einfacher und billiger als die Herstellung "echter" Kondensatormikrofone. In der Regel werden bei Elektretkapseln größere Fertigungstoleranzen zugelassen, und der Aufwand bei der Impedanzwandlerschaltung ist geringer.

In der nächsten Ausgabe der VTF-Post soll die Elektretkapsel bzw. das Hannoversche Mikrofon in der praktischen Anwendung beschrieben werden. Da es sich hierbei um eine sogenannte Druckempfängerkapsel mit Kugelcharakteristik handelt, wird es für den Praktiker interessant sein, etwas über Frequenzverhalten, Direkt- oder Diffus-Schallfeld, Nachhall, Hallradius, Reflexionen, Schallschatten oder stehende Wellen zu erfahren.

Bei Verwendung des Hannoverschen Mikrofons besteht durch seine hohe Verstärkung die Gefahr von Über- oder Untersteuerungen des Recorders am Mikrofoneingang. Verlangt der Experimentator bei seiner Einspielung das Aufzeichnen von sehr leisen Signalen und stellt das Mikrofon auf hohe Verstärkung ein, dann muß er unweigerlich den Eingangsregler des Recorders herunterdrehen um Übersteuerungen zu vermeiden. Dies bedeutet aber, daß der Recorder unter Umständen ein zu leises Signal erhält welches nur wenig über seinem Eigenrauschen liegt und das Band nicht ausreichend magnetisiert wird. Der Recorder sollte aber wenn möglich auf 30-50 % seiner Eingangsempfindlichkeit eingestellt werden, um dann mit dem Regler am Mikrofon den Recorder bei der lautesten Passage auf ca. 100 % bzw. 0 dB einregeln zu können. Wird das Mikrofon anstatt an den Mikofoneingang an den Line-Eingang angeschlossen, dann läßt sich der Mikrofonvorverstärker u. U. voll aufdrehen und sehr leise Signale aufzeichnen. Wie sich dieses Mikrofon dann allerdings im tiefen Frequenzbereich verhält, soll ebenfalls in der nächsten Ausgabe beschrieben werden. Da aber nicht alle Recorder die gleichen Eingangsempfindlichkeiten bzw. Eingangsimpedanzen aufweisen, ist das Experiment die beste Lösung, um mit dieser Schaltungsvariante vielleicht ein besseres Ergebnis zu erzielen.


(Quelle: VTF-Post P 90, Heft 1/98)