EMUTE-MUSIIKKITEKNOLOGIASIVUSTO
Emute

Mikrofonit, osa 2

Kirjoittanut Juha Sipilä | 16.10.2014

Mikrofoneja tarvitaan hyvin erilaisissa käyttötilanteissa. Tuntemalla mikrofonien toimintaperiaatteet helpottuu mikrofonivalinta huomattavasti. Lopullinen valinta kannattaa tehdä aina kuuntelemalla ja vertailemalla erilaisia mikrofoneja keskenään.

Dynaaminen mikrofoni

Dynaamiset mikrofonit (Dynamic microphone) ovat edullisia ja sopivat monenlaiseen käyttöön. Ne ovat rakenteeltaan yksinkertaisia ja kestävät kovaakin käsittelyä. Niitä käytetään varsinkin silloin, kun äänilähteen tuottama äänipaine on suuri (esimerkiksi rumpujen ja vahvistimien lähimikitys).

Dynaamisen mikrofonin kapselissa on kalvo, kela ja magneetti. Kalvo värähtelee äänipaineen vaihteluiden mukaan. Kalvoon on kiinnitetty johtokela, joka värähtelee samassa tahdissa. Kela liikkuu edestakaisin magneetin sisällä ilmaraossa.

Dynaamisen mikrofonin toimintaperiaate

Johtimen (= kelan) liikkuessa magneettikentässä muodostuu sen päiden välille sähköinen jännite. Tämä jännite on sähköinen versio akustisesta äänestä. Dynaamisen mikrofonin toiminta perustuu tähän ilmiöön, jota kutsutaan sähkömagneettiseksi induktioksi. Mikrofonin tekemän akustissähköisen muunnoksen jälkeen sähköinen äänisignaali voidaan vahvistaa, siirtää ja tallentaa.

Dynaamisen mikrofonin toiminta perustuu sähkömagneettiseen induktioon.

Dynaamisen mikrofonin käyttö

Dynaamisen mikrofonin kalvon täytyy olla riittävän jäykkä, jotta se pystyy ohjaamaan siihen kiinnitettyä kelaa magneetin kapeassa ilmaraossa. Paksun kalvon ja siihen kiinnitetyn kelan yhteinen massa aiheuttaa korkeiden taajuuksien vaimentuman; kalvo ei pysty värähtelemään riittävän nopeasti edestakaisin. Dynaaminen mikrofoni ei sovellu kovin hyvin esimerkiksi symbaalien äänittämiseen (ellei tarkoituksena ole värittää ja tummentaa symbaalien sointia).

Samasta syystä dynaamiset mikrofonit ovat myös epäherkkiä. Ne tuottavat varsin pienen jännitteen, joten mikrofonisignaalia täytyy vahvistaa paljon. Dynaaminen mikrofoni soveltuukin parhaiten lähimikityksiin äänilähteille jotka tuottavat suuren äänipaineen, kuten esimerkiksi rummut ja vahvistimet.

Hieman yllättäen dynaaminen mikrofoni on usein paras vaihtoehto kotistudioäänityksissä. Epäherkkyydestä johtuen huoneakustiikka jää melko vaimeaksi. Mikäli äänitysakustiikka ei ole kovin hyvä, helpottaa dynaamisen mikrofonin käyttö tästä syystä miksausta ja jälkituotantoa.

Yksinkertaisen rakenteensa vuoksi dynaamiset mikrofonit ovat kestäviä, joten ne soveltuvat hyvin äänentoistotehtäviin ja bändikäyttöön.

Dynaamisen mikrofonin magneetti

Vanhemmissa mikrofoneissa käytetään Alnico-magneetteja, jotka koostuvat alumiinin (Al), nikkelin (Ni) ja koboltin (Co) seoksesta. Uudemmissa mikrofoneissa saatetaan käyttää neodyymi-magneetteja. Näiden magneettikenttä on paljon voimakkaampi kuin Alnico-magneeteilla, ja tämä mahdollistaa lyhyemmän sekä kevyemmän kelan käyttämisen. Tällöin mikrofonin herkkyys paranee, ja se kykenee välittämään paremmin äänen alukkeita sekä korkeampia taajuuksia.

Esimerkkejä dynaamisista mikrofoneista

  • AKG: D112, D5, D7, D770, D40
  • Audio Technica: AE 4100, AE 6100
  • Audix: OM-sarja, F12, i5, D2, D4, D6
  • Beyerdynamic: TG-X48, TG-X58, TG-X60, TG-X80, Opus 89, M411
  • Electro-Voice: RE20, Raven, N/D-sarja
  • Sennheiser: E935, E945, E840, E835, MD-sarja
  • Shure: SM57, SM58, Beta56A, Beta57A, Beta58A, PG52, PG58

Shure Beta 52A on bassorummulle tarkoitettu dynaaminen mikrofoni.

Nauhamikrofoni

Nauhamikrofoni (Ribbon microphone) ei ole äänityöläisen yleistyökalu, toisin kuin esimerkiksi dynaaminen mikrofoni. Mutta etenkin studiokäytössä se tuottaa lämpimän ja pehmeän soinnin, jota ei muilla mikrofoneilla saavuteta. Nauhamikrofonissa on kalvon sijasta ohut metallinauha, joka värähtelee äänipaineen vaihteluiden mukaan. Nauha on ripustettu hevosenkenkämagneetin keskelle.

Nauhamikrofonin toimintaperiaate

Kuten dynaaminen mikrofoni, myös nauhamikrofoni toimii sähkömagneettisen induktion periaatteella. Metallinauhan liikkuessa magneettikentässä indusoituu sen päiden välille jännite. Jännitteen muutokset vastaavat akustisen äänen ilmanpainevaihteluita.

Nauhamikrofonin käyttö

Nauhaelementti on paljon kevyempi kuin dynaamisen mikrofonin kalvo-kelayhdistelmä. Tästä syystä nauhamikrofoni pystyy seuraamaan tarkasti ja nopeasti äänipaineen vaihteluita korkeillakin taajuuksilla. Myös äänen alukkeet taltioituvat tarkasti. Dynaamiseen mikrofoniin verrattuna nauhamikrofonin sointi on avoimempi ja ilmavampi.

Nauhamikrofonia käytettäessä tulee olla erityisen varovainen ja varmistua siitä, että mikrofonietuvahvistimen phantom-syöttö on kytketty pois päältä. Phantom-jännite (jota esimerkiksi kondensaattorimikrofonit tarvitsevat) polttaa nauhaelementin ja tuhoaa mikrofonin välittömästi. Poikkeuksen tekevät niin sanotut aktiiviset nauhamikrofonit, joissa mikrofonin sisälle on rakennettu esivahvistin. Nämä nauhamikrofonit tarvitsevat toimiakseen phantom-jännitteen.

Phantom-jännite saattaa tuhota nauhamikrofonin!

Ohuet nauhaelementit ovat herkkiä särkymään. Lauluäänityksiä tehtäessä pop-filtterin käyttö on välttämätöntä, sillä nauhaelementti ei kestä puhallusääniä. Useimpia nauhamikrofoneja tulee säilyttää pystyasennossa, jotta nauha ei pääse venymään.

Kondensaattorimikrofoni

Kondensaattorimikrofonit (Condenser/capacitor microphone) ovat yleisiä studiokäytössä. Dynaamisiin mikrofoneihin verrattuna niiden sointi on tarkempi ja taajuusvaste laajempi. Ne ovat myös herkempiä kuin dynaamiset mikrofonit, ja sopivat näin paremmin hiljaisten tai etäisten äänilähteiden taltiointiin.

Kondensaattorimikrofonin kapselissa on ohut metallikalvo, jonka takana on metallinen kiinteä taustalevy. Kalvo, taustalevy ja niiden välissä oleva ilma (joka toimii sähköisenä eristeenä) muodostavat kondensaattorin.

Kondensaattorimikrofonin toimintaperiaate

Kondensaattoreilla on kyky varata sähköä. Kondensaattorimikrofonissa sähkönvarauskyky eli kapasitanssi vaihtelee äänen paineaallon mukaan. Kalvon liikkuessa taustalevyn ja kalvon välinen etäisyys vaihtelee, ja tämä vaikuttaa suoraan kondensaattorin sähkönvarauskykyyn.

Muunnettaessa kapasitanssin vaihtelut jännitteenvaihteluiksi, saadaan aikaan audiosignaali. Toimiakseen kondensaattorimikrofoni tarvitsee jännitelähteen, niin sanotun phantom-jännitteen.

Phantom-jännitteellä saadaan toimimaan myös esivahvistin, joka sijaitsee kondensaattorimikrofonin rungon sisällä. Esivahvistimen tehtävänä on muun muassa nostaa signaalitasoa ja balansoida signaali.

Kondensaattorimikrofonin kapseli ja sisäänrakennettu esivahvistin tarvitsevat toimiakseen phantom-jännitteen.

Kondensaattorimikrofonin käyttö

Kondensaattorimikrofonin kalvo on hyvin ohut ja paljon kevyempi kuin dynaamisessa mikrofonissa. Niinpä kondensaattorimikrofonin taajuusvaste yltää korkealle, ja äänten alukkeet taltioituvat hyvin.

Kondensaattorimikrofonit ovat hyvin herkkiä ilmankosteudelle. Laulua äänitettäessä tuleekin aina muistaa käyttää pop-filtteriä. Tämä estää paitsi puhallusäänteiden, myös hengitysilman kosteuden kulkeutumisen mikrofonin kalvolle. Kostea ilma johtaa paremmin sähköä kuin kuiva ilma, ja toimii näin ollen huonosti eristeenä kalvon ja taustaelektrodin välissä. Mikrofonin soinnilliset ominaisuudet saattavat muuttua mikäli ilman kosteus kapselissa pääsee oleellisesti muuttumaan.

Esivahvistimen ansiosta signaali on voimakas, joten kondensaattorimikrofoni on hyvä valinta hiljaisten äänilähteiden (esimerkiksi akustinen kitara) taltiointiin, tai silloin kun mikitys täytyy tehdä kauempaa (esimerkiksi kuoroäänitys). Mekaanisesti kondensaattorimikrofonit eivät ole yhtä kestäviä kuin dynaamiset mikrofonit, ja niitä käytetäänkin enemmän studioympäristössä kuin äänentoistotehtävissä.

Kondensaattorimikrofonit ovat hyviä, kun sointi halutaan taltioida tarkasti pienimpiä yksityiskohtia myöten, tai kun sointiin halutaan mukaan ambienssia. Myös suuria äänilähteitä (esimerkiksi kirkkourut, kuoro, orkesteri, rumpujen overhead) taltioitaessa kondensaattorimikrofonit ovat hyviä.

Elektreettimikrofoni

Elektreettimikrofoni (Electret condenser microphone) toimii samalla periaatteella kuin kondensaattorimikrofoni, mutta sen kapselin taustalevyllä on pysyvä sähkövaraus. Ne ovat yleensä hinnaltaan huokeampia kuin ”oikeat” kondensaattorimikrofonit. Elektreettimikrofonin rakenteella on se etu, että kapseli ei välttämättä tarvitse phantom-jännitettä. Mikrofonin sisäänrakennettu esivahvistin tarvitsee käyttöjännitteen, mutta se voi olla paljon alhaisempi kuin phantom-jännite (+48 V). Niinpä elektreettimikrofoneja voidaan käyttää usein myös paristovirralla. Mikrofonivalmistajat eivät mainostaessaan tee aina eroa kondensaattori- ja elektreettimikrofonien välillä. Paristokotelo on kuitenkin elektreettimikrofonin tunnusmerkki, kondensaattorimikrofoneja ei voi käyttää paristoilla. Toinen elektreettimikrofonien etu on niiden pieni koko. Muun muassa useimmat lavalier-mikrofonit, eli niin sanotut "solmiomikrofonit" ovat elektreettimikrofoneja.

Mikrofonien vertailua

Kestävyys

Dynaamisen mikrofonin mekaaninen kestävyys on erittäin hyvä, mikä tekeekin niistä yleisen työkalun keikkakäytössä. Kondensaattorimikrofonit eivät kestä yhtä kovaa käsittelyä kuin dynaamiset. Niiden kalvo on paljon ohuempi. Putkimikrofoneissa lisäksi putket ovat herkkiä rikkoutumaan. Myös nauhamikrofoneissa nauhat ovat erittäin herkkiä rikkoutumaan. Tehtäessä lauluäänityksiä nauhamikrofonilla pop-filtterin käyttö on välttämätöntä (myös kondensaattorimikrofonin kanssa sitä kannattaa käyttää). Lisäksi kannattaa huomioida, että phantom-jännite saattaa rikkoa nauhaelementin (ellei kyseessä ole ns. aktiivinen mikrofoni, joka tarvitsee phantomin).

Soveltuvuus

Dynaaminen mikrofoni soveltuu lähimikityksiin, etenkin jos äänilähde ei ole kovin hiljainen. Esimerkiksi rumpu- ja vahvistinmikityksissä dynaamiset mikrofonit ovat erittäin käyttökelpoisia. Kannattaa huomata, että dynaaminen mikrofoni on usein kondensaattorimikrofonia parempi valinta, mikäli äänitysakustiikka on puutteellinen. Tällöin mikrofonin epäherkkyys kääntyy eduksi. Myös äänentoistotehtävissä dynaamiset mikrofonit ovat suosittuja kestävyytensä vuoksi.

Kondensaattorimikrofonit soveltuvat miltei kaikentyyppisiin äänityksiin. Ne taltioivat hyvin myös äänilähdettä ympäröivää akustiikkaa ja sopivat näin myös suurten äänilähteiden taltiointiin. Suuret äänipaineet saattavat säröyttää signaalin mikrofonin esivahvistimessa. Tällöin kannattaa kytkeä päälle mahdollinen desibelivaimennin, tai vaihtaa mikrofoni sellaiseen joka kestä suurempia äänipaineita. Äänentoistotehtävissä kondensaattorimikrofoneja voi käyttää pienin varauksin; mikrofonien mekaaninen herkkyys (ja mahdollinen kallis hinta) kannattaa pitää mielessä mikrofonisijoituksia mietittäessä. Lisäksi tulee huomioida dynaamisia mikrofoneja suurempi kiertoherkkyys.

Nauhamikrofonit on tarkoitettu lähinnä studiokäyttöön. Niillä saavutetaan avoimempi ja kirkkaampi sointi kuin dynaamisilla mikrofoneilla. Äänentoistotehtävissäkin niitä voi käyttää, mutta silloin tulee noudattaa erityistä huolellisuutta ettei mikrofoneja rikota esimerkiksi kytkemällä phantom-syöttöä mikrofonilinjaan.

Sointi

Monet dynaamiset mikrofonit on tehty laulu- ja puhekäyttöön. Tällöin niille on ominaista niin sanottu preesens-korostus (noin 3-5 kHz), joka tuo konsonantteja paremmin esille ja selkeyttää puheen soinnin ymmärrettävyyttä. Usein preesens-korostus sopii myös sähkökitara- ja rumpusoundeihin. Kalvo-kelayhdistelmän massan vuoksi dynaamiset mikrofonit eivät pysty välittämään korkeimpia diskantteja.

Monille dynaamisille mikrofoneille on ominaista ns. preesens-korostus, joka tuo konsonantteja paremmin esille ja selkeyttää puheen soinnin ymmärrettävyyttä.

Kondensaattorimikrofonilla on kirkkaampi sointi kuin dynaamisella. Koska mikrofonien herkkyys on suuri, välittyy soinnissa myös äänitysakustiikka hyvin. Kaikista värittymättömin äänikuva saavutetaan niin sanotulla mittamikrofonilla, joka on pienikalvoinen pallokuvioinen kondensaattorimikrofoni. Usein äänitystyössä kuitenkin halutaan värittää sointia sopivilla mikrofoneilla. Nauhamikrofonin sointi on paljon avoimempi ja kirkkaampi kuin dynaamisen mikrofonin. Ominaista on myös äänen alukkeen lievä kompressoituminen.

Mikrofonien lisävarusteet

Pop-filtteri

Tietyt konsonanttiäänteet synnyttävät terävän ja voimakkaan ilmavirtauksen, jonka mikrofoni muuntaa matalataajuiseksi jyrähdykseksi. Esimerkiksi p-konsonantti on tällainen niin sanottu plosiiviäänne. Voit kokeilla tätä laittamalla kämmenen suusi eteen, ja sanomalla terävästi ääntäen esimerkiksi "pop".

Pop-filtteri on kangas- tai metalliverkko, joka hajottaa ilmavirtauksen. Muilta osin hyvä pop-filtteri ei vaikuta sointiin. Se myös suojaa mikrofonin kalvoa (tai nauhaa) hengitysilman kosteudelta. Tämä on tärkeää erityisesti kondensaattorimikrofonien kanssa, joissa kapselin sähkövaraus kerää ilmasta pölyä ja epäpuhtauksia. Yhdessä kostean ilman kanssa näistä muodostuu sementtimäinen kerros, joka muuttaa mikrofonin sointia.

Joidenkin mikrofonien mukana tulee vaahtomuovifiltteri, tai sellainen voi olla mikrofonissa sisäänrakennettuna. Tämä ei kuitenkaan ole varsinainen pop-filtteri, vaan sen tehtävänä on estää tuulen aiheuttama jyrinä ulkoilmakäytössä. Vanhat vaahtomuovifiltterit voivat olla jopa haitallisia mikrofonin kapselille, sillä vanhetessaan vaahtomuovi haurastuu ja siitä saattaa irrota pientä putua.

Kehto-/joustoripustin

Varsinkin suurikalvoisissa kondensaattorimikrofoneissa käytetään usein kehtoripustinta, joka tunnetaan myös nimellä joustoripustin. Se rakentuu kahdesta toisistaan irti olevasta telineestä. Sisempi teline, johon mikrofoni kiinnitettään, on ripustettu kumilangoilla ulompaan telineeseen, joka puolestaan tulee mikrofonijalustaan kiinni. Näin mikrofoni voidaan eristää mekaaniselta värähtelyltä, joka esimerkiksi mikrofonijalustaa pitkin saapuessaan ja kulkeutuessaan mikrofonin runkoon aiheuttaisi signaaliin häiriöitä, niin sanottuja käsittelyääniä.

Mikrofonien kytkimet

Suuntakuvion valitsin

Joissain suurikalvoisissa kondensaattorimikrofoneissa on valintakytkin suuntakuviolle. Tällaisissa mikrofoneissa on kaksi vastaikkaista herttakapselia. Kytkin vaikuttaa mikrofonin esivahvistimen kautta takakapselin polarisointijännitteeseen, ja sitä kautta kapselin signaalin voimakkuuteen ja vaiheistukseen. Kun takakapselin polarisointijännitettä muutetaan, ja molempien kapselien signaalit summataan yhteen, saadaan erilaisia suuntakuvioita.

Ylipäästösuodin ja lähiääni-ilmiö

Suuntaavien mikrofonien ominaisuuksiin kuuluu lähiääni-ilmiö eli proximity-efekti, joka johtuu mikrofonikapselin rakenteellisista ominaisuuksista. Pienikalvoisilla pallomikrofoneilla (painemikrofoneilla) ei ole lähiääni-ilmiötä, vaan ilmiö esiintyy ainoastaan suuntaavilla mikrofoneilla.

Proximity-efekti ilmenee matalien taajuuksien korostumisena silloin, kun mikrofoni on lähellä (alle 30 cm) äänilähdettä. Esimerkiksi dynaamisilla laulumikrofoneilla (joita käytetään äänentoistotehtävissä) ilmiötä on usein kompensoitu rakentamalla kapseli niin, että se vaimentaa matalia taajuuksia. Tällöin bassotaajuudet eivät korostu liiaksi, mutta toisaalta sointi voi käydä jopa bassoköyhäksi vietäessä mikrofoni kauemmaksi äänilähteestä. Oheisessa kuvassa näkyy tyypillisen laulumikrofonin lähiääni-ilmiön aiheuttamat muutokset taajuusvasteessa.

Lähiääni-ilmiö on voimakkaimmillaan mikäli mikrofoni on suunnattu kohtisuoraan äänilähteeseen. Bassokorostusta voidaan pienentää suuntaamalla mikrofonia hieman sivuttain äänilähteeseen nähden. Tällöin sointi voi tosin muuttua muutenkin, sillä mikrofonien suuntakuvio vaihtelee äänen tulosuunnan mukaan. Bassokorostusta voi pienentää myös käyttämällä mikrofoniin mahdollisesti sisäänrakennettua tai mikrofonietuvahvistimesta mahdollisesti löytyvää ylipäästösuodinta. Ylipäästösuodin vaimentaa signaalin matalia taajuuksia, ja kompensoi näin bassokorostusta.

Vaimennuskytkin

Joidenkin kondensaattorimikrofonien rungosta löytyy kytkin, jonka avulla voidaan vaimentaa mikrofonikapselilta mikrofonin sisäiseen esivahvistimeen kulkevaa signaalia. Vaimennuksen määrä ilmoitetaan desibeleinä. Tämä signaalinvaimennus on tarpeen lähinnä silloin, kun mikrofoni sijoitetaan lähelle suuren äänipaineen tuottavaa äänilähdettä (esimerkiksi rummut tai kitaravahvistin). Tällöin signaali saattaa säröytyä mikrofonin esivahvistimessa, eikä tällainen särö välttämättä näy mikrofonietuvahvistimen tai tallentimen tasomittareissa.

Kannattaa kuitenkin muistaa, että mikäli signaalia vaimennetaan mikrofonissa turhaan, täytyy tämä vaimentuma kompensoida mikrofonietuvahvistimessa gain-tasoa nostamalla. Tällöin myös mahdolliset signaalitien häiriöt nousevat esille, toisin sanoen mikrofonin signaali/kohinasuhde pienenee. Kannattaa siis aina varmistaa, ettei vaimennus ole vahigossa jäänyt päälle!

Katso myös