Mikrofoni

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun

Mikrofoni (lempinimeltään joskus myös mikki tai maikki) on sähköakustinen muunnin, joka muuntaa äänivärähtelyn vastaavaksi sähköiseksi värähtelyksi. Mikrofoneja käytetään yleisimmin musiikin ja puheen muuttamiseen sähköiseen muotoon vahvistusta tai tallennusta varten.

Johdollinen 3,5 mm plugi-liitännällä varustettu mikrofoni.

Historiaa[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Mikrofoni, mikrofooni nimitys 1800 luvulla [1], on nykyaikaisen äänentallennus ja -toistotarpeiston vanhin väline, mikäli itse johtoja ei lasketa mukaan. Ensimmäisiä mikrofonikokeiluja tehtiin jo 1800-luvun alkupuoliskolla; ensimmäisen varsinaisen mikrofonin kehitti kuitenkin Emil Berliner -niminen fysiikan opiskelija vuonna 1877. Hän myi sen patentin Bell Telephone Companylle. Tätä mikrofonia käytettiin varhaisissa puhelimissa, mutta sitä kehitettiin paremmaksi juuri keksityn radion tarpeisiin. Hiilimikrofonin keksi David Edward Hughes 1878, mutta sen teollinen valmistus alkoi vasta 1920-luvulla. Mikrofoneja käytettiin siis radiossa ja puhelimissa, joihin ne olivat tarpeeksi laadukkaita, mutta äänitetallennukseen mikrofonien tuottama äänenlaatu oli liian heikko ja niiden taajuusvaste oli epätasainen.

1930-luvulla kehitettiin ensimmäiset dynaamiset ja kondensaattorimikrofonit. Dynaamisen mikrofonin periaatteen patentoi Ernst Siemens 1874. Tällainen liikkuvakelainen mikrofoni perustuu samaan ideaan kuin dynaaminen kaiutin, eli magneettikentässä liikkuvaan kuparilankakelaan, joka tuottaa liikkeestä sähkövirtaa. Dynaaminen mikrofoni toi selkeän parannuksen verrattuna aiemmin käytössä olleen hiilimikrofonin äänenlaatuun.

Kondensaattorimikrofonin valmistus tuli mahdolliseksi elektroniputken keksimisen jälkeen 1910-luvulla: kondensaattorikapselin jännitemuutosten mittaamiseen tarvittiin suuri-impedanssinen vahvistin, joka ei kuormita kapselia eikä siten pura sen sähkövarausta. Dynaamiset ja kondensaattorimikrofonit otettiin suurimmissa radioyhtiöissä teknisten sovellusten osaksi sillä niiden äänenlaatu oli ratkaisevasti parempi kuin aiempien mikrofonien. 1970-luvulla FET- transistori syrjäytti pääosin elektroniputken kondensaattorimikrofonin vahvistinosassa.

Pietsosähköinen mikrofoni eli kidemikrofoni oli yleisesti käytössä myös 1930-1950-luvuilla. Tämä pietsosähköiseen ilmiöön perustuva mikrofoni pystyi tuottamaan huomattavasti dynaamista mikrofonia korkeamman jännitteen, joten se soveltui hyvin esimerkiksi kotiäänittäjän käyttöön. Alunperin pietsomikrofonien materiaalina käytettiin rochellesuolakiteitä, nykyisin käytössä ovat erilaiset muovit ja keraamiset materiaalit. Nykyisin pietsomikrofonin tärkeimmät sovellukset ovat akustisten soittimien tallamikrofoneissa sekä ultraääniantureissa.

Toimintaperiaate[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Mikrofoni mikrofonitelineessä.

Dynaaminen mikrofoni[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Pääartikkeli: Dynaaminen mikrofoni

Dynaamisen mikrofonin toimintaperiaate on vastakkainen dynaamiselle kaiuttimelle. Yksinkertaisimmillaan dynaaminen mikrofoni sisältää neljä osaa: kalvon, sähköä johtavan kelan, magneetin napakappaleineen, sekä johtimet. Kela on kiinnitetty kalvoon, joka kytkeytyy runkoon joustavilla ripustuksilla, samaan tapaan kuin kaiuttimen elementti. Ilman liike saa kalvon värähtelemään. Tällöin myös kalvoon kiinnitetty kela liikkuu magneettikentässä, ja siihen indusoituu vaihtojännite. Johtimet kuljettavat tämän heikon sähköisen signaalin vahvistimeen, joka vahvistaa signaalin esitys- tai tallennuskelpoiseksi. Dynaaminen mikrofoni on kaikkein yleisin mikrofoni, ja se toistaa sekä instrumentteja että laulua vaativissakin olosuhteissa melko laadukkaasti. Dynaamiset mikrofonit ovat erityisen suosittuja konserttikäytössä niiden kestävyyden, laadukkuuden ja silti hyvän toiston takia.

Dynaamisen mikrofonin erikoistapaus, magneettinen mikrofoni perustuu kiinteään kestomagneettiin ja kiinteään kelaan. Magneettivuon suuntaa kelassa ohjaa ohut teräskieli, jota mikrofonin kalvo liikuttelee. Tunnetuin esimerkkitapaus magneettisesta mikrofonista lienee Shure "green bullet", joka on alunperin suunniteltu kuulutusmikrofoniksi, mutta on yleistynyt huuliharppumikrofonina.

Magneettisen mikrofonin periaatteella toimii myös sähkökitaran mikrofoni. Siinä kitaran kieli säätelee magneettivuota kelan sisällä.

Dynaamiset mikrofonit ovat aina herkkiä ulkoisille magneettisille häiriöille. Näiden eliminointiin käytetään laadukkaimmissa mikrofoneissa n.s. humbucking- kelaa. Tämä kela sisältää saman verran kierroksia kuin itse mikrofonin puhekela mutta se kytketään puhekelan kanssa sarjaan, vastakkaisvaiheisesti, jolloin näiden kahden kelan poimima magneettikenttä kumoutuu. Kitaroiden humbucker- mikrofonissa puhekelan puolikkaat kytketään vastaavalla tavalla.

Kondensaattorimikrofoni[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Pääartikkeli: Kondensaattorimikrofoni

Kondensaattorimikrofonin toimintaperiaate on monimutkaisempi kuin dynaamisen mikrofonin. Kondensaattorimikrofonissa on dynaamisen mikrofonin kalvon ja kelan sijasta niin sanottu kondensaattori, joka koostuu ohuen ohuesta metallisesta kalvosta, joka vastaanottaa ääniaallot, sekä rei'itetystä elektrodista. Kondensaattoriin synnytetään tasajännite joko ulkopuolisella jännitelähteellä omaa johdinta pitkin tai käytetään hyväksi phantom-jännitettä (engl. phantom power ), josta jännitemuuntimen avulla tehdään tarvittava polarointijännite. Mittauskäyttöön tarkoitetuissa mikrofoneissa 200 V jännite on yleinen. Kun äänenpaine saa metallikalvon liikkumaan kauemmas ja lähemmäs elektrodista, kondensaattorin kapasitanssi ja sitä kautta sähkövaraus muuttuu. Tämä muutos tuottaa heikon signaalin, joka on liian pieni, jotta se voitaisiin sellaisenaan käyttää. Sen takia mikrofonissa itsessään − tai sitä hyvin lähellä signaalitiellä – täytyy olla esivahvistin, joka vahvistaa signaalia. Kondensaattorimikrofoni on mikrofoneista herkin ja poimii suurimmat ja pienimmät taajuudet melko vaivattomasti. Äänimittauksissa kondensaattorimikrofoni on suosittu, koska sillä on hyvin tasainen taajuusvaste. Suurikalvoiset kondensaattorimikrofonit ovat kaikkein herkimpiä, mutta toisaalta ne eivät kestä yhtä suuria äänenpaineita kuin pienemmät ilman pysyviä herkkyyden muutoksia. Mittausmikrofoneilla tyypillinen herkkyys on suurilla yhden tuuman mikrofoneilla 50 mV/Pa, kun taas pienillä neljännestuuman mikrofoneilla herkkyys on tyypillisesti 5 mV/Pa. Pienikalvoiset kestävät suurempaa painetta ja jonkin verran iskujakin. Pienten mikrofonien taajuusvaste on mahdollista ulottaa pitkälle ultraäänialueelle, yli 100 kilohertsiin, mutta suurempien mikrofonien taajuusvaste kattaa yleensä vain audioalueen eli enintään 20 kilohertsiä.

Kondensaattorimikrofonin erikoisversioista tärkein lienee RF-periaatteella toimiva mikrofoni. Siinä kapselin kapasitanssin muutoksia mitataan radiotaajuudella. Kiinteätaajuinen oskillaattori syöttää signaalia virityspiiriin, jonka kapasitanssina toimiva mikrofonikapseli virittää piirin hetkellisesti ylä- tai alavireeseen. Virityspiirin ulostulojännite vahvistetaan ja syötetään mikrofonin lähtöön. RF-mikrofonin etuina on pieni pohjakohina sekä kosteuden sieto vaikeissa äänitysolosuhteissa. Tällä tekniikalla toteutetut SENNHEISER MKH-sarjan mikrofonit ovatkin suosittuja esimerkiksi elokuva- ja televisioäänittäjien työkalupakissa huolimatta niiden kohtuullisen korkeasta hinnasta.

Elektreettimikrofonissa kondensaattorikapselin vaatima sähkövaraus siirretään pysyvästi kapselin takaelektrodin muovimateriaaliin lämpökäsittelyn avulla. Mikrofoni ei siis tarvitse ulkoista polarisaatiojännitettä, joten se tarvitsee vain 1-9 V jännitteen vahvistinta varten. Elektreettimikrofonit ovat yleistyneet pienten tuotantokustannustensa ansiosta erityisesti mobiililaitteissa.

Nauhamikrofoni[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Nauhamikrofonit ovat tavallaan dynaamisia mikrofoneja, sillä erotuksella, että niiden kalvo ja kela ovat yksi sähköä johtava nauha, joka on sijoitettu magneettien väliin. Muutoin nauhamikrofoni toimii periaatteessa samalla tavoin kuin dynaaminen mikrofoni.

Hiilimikrofoni[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Hiilimikrofoni, jota käytettiin puhelimen ja radion alkuaikoina sisälsi kahden metallilevyn väliin puristettuja hiilirakeita. Äänen aiheuttamat painevaihtelut välittyivät hiilirakeisiin, joiden välinen resistanssi vaihteli paineen mukana. Jos metallilevyihin kytkettiin ulkoinen tasajännite, mikrofonin läpi kulki sähkövirta, jonka voimakkuus seurasi resistanssin muutoksia Ohmin lain mukaisesti. Tämä virta voitiin yksinkertaisimmillaan syöttää suoraan kovaääniseen, joka toisti värähtelyt äänenä.

Yhdysvaltalainen Jessica Simpson käyttää kuvassa langatonta mikrofonia.

Langaton mikrofoni[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Langaton mikrofoni sisältää mikrofonivahvistimen ja radiolähettimen, joka lähettää signaalin langattomasti radiolähettimen kautta vastaanottimeen. Langaton mikrofoni ei siis tarvitse mikrofonikaapelia. Vastaanotin täytyy kytkeä kuitenkin mikseriin tai muuhun laitteeseen johdolla.

Langattomat mikrofonit käyttävät äänen siirtoon radioaaltoja. Kukin mikrofonijärjestelmä (mikrofoni ja vastaanotin) käyttää tiettyä taajuutta, joka on sama lähettimessä ja vastaanottimessa. Useissa järjestelmissä on muutama oletustaajuus, mutta ammattijärjestelmissä on mahdollisuus valita käytännössä mikä taajuus tahansa. Taajuus ilmoitetaan megahertseinä. Langattomat mikrofonit käyttävät taajuusalueita VHF (Very high frequency 30 MHz –300 MHz) ja UHF (Ultra high frequency 300 MHz – 3000 MHz), joista jälkimmäinen on käytetympi. Esimerkki hertsitaajuudesta on 427,500 MHz.lähde?

Koska langaton mikrofoni toimii ilman johtoja, ainoa virtalähde signaalin lähettämiseen on akku- tai paristovirta. Langaton mikrofoni käyttää yleensä 1,5V tai 9V jännitettä. Langattomat mikrofonit toimivat yhdellä paristolla yleensä vajaat kymmenen tuntia. Akuilla toiminta-aika on lyhyempi.

Langattomat mikrofonit voidaan lajitella kahteen ryhmään: käsilähettimiin ja taskulähettimiin. Käsilähettimet (engl. handheld microphone) ovat kädessä pidettäviä mikrofoneja, jotka ovat yleensä dynaamisia. Taskulähettimeen kytketään usein instrumentti (esimerkiksi kitara) tai mikrofoni. Yleisimmin käytettyjä taskulähettimeen kiinnitettäviä mikrofoneja ovat päämikrofonit (engl. headset microphone) ja solmiomikrofonit, jotka kummatkin ovat yleensä kondensaattorimallisia.

Eräs langattomien mikrofonien käyttämä 800 megahertsin taajuusalue siirtyy mobiililaajakaistan käyttöön. Tämä uudistus estäisi kyseistä taajuusaluetta käyttävien mikrofonien käytön. Suurin osa tällä hetkellä käytössä olevista langattomista mikrofoneista toimii 800 megahertsin poistuvalla taajuusalueella. [2] Osa mikrofoneista on viritettävissä mobiilitaajuuksien ulkopuolelle. 800-taajuusalue sisältää taajuudet 790-862 Mhz, 700-taajuusalueella (694–790 MHz) radiomikrofonikäyttöä voisi olla 31. joulukuuta 2020 asti. Radiomikrofonien taajuuksiksi ehdotetaan ensisijaisesti televisiotoimintaan osoitettuja alueita 174–230 MHz ja 470–694 MHz. [3]

Käsitteitä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Laadukas studiomikrofoni.

Phantomsyöttö[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Phantomsyöttö on yleinen tapa syöttää jännitettä kondensaattorimikrofonien aktiivisille komponenteille. Nimensä Phantom (suom. haamu) on saanut siitä, että se on käytännössä näkymätöntä mikrofonille, joka ei sitä tarvitse (balansoidun linjan informaatio on nimenomaan johtimien signaalierossa). Phantom-lähde syöttää molempiin signaalijohtimiin suojavaippaan nähden tasavirtakomponentin. On syytä olla varovainen liitettäessä XLR-adapterilla muita laitteita phantomsyöttöihin, sillä laitteiden ulostulovahvistimet eivät kestä ulkoapäin syötettyä korkeaa tasajännitettä.

Useimmiten phantom-virran jännite on 48V, mutta myös 12V jännite on määritelty DIN 45596-standardissa. Käytännössä mikrofonien virrantarve kuitenkin vaihtelee tapauskohtaisesti, jolloin erikoiskäytössä voidaan käyttää myös eri jännitteitä.

Phantomsyötön lisäksi on olemassa muita tapoja syöttää jännitettä mikrofoneille, kuten T-syöttö (DIN 45595), jotka eivät ole yhteensopivia phantomsyötön kanssa.

Balansointi[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Ammattikäyttöön tarkoitetuissa mikrofoneissa käytetään balansoitua kaapelia, mikä vähentää matalaimpedanssisen mikrofonisignaalin häiriöherkkyyttä sen kulkiessa pitkässä kaapelissa. Liittimenä käytetään useimmiten kolmepinnistä XLR-liitintä, mitä tästä syystä kutsutaankin useimmiten mikrofoniliittimeksi. XLR-liittimen lisäksi myös TRS-liitin (engl. Tip-Ring-Sleeve) on yleinen studiokäytössä. Balansoidussa kaapelissa hyötysignaali syötetään kahteen johtimeen vastakkaisvaiheessa ja kolmas johdin toimii maalinjana. Matkalla vastaanottimeen ulkoiset häiriöt indusoituvat molempiin signaalijohtimiin samassa vaiheessa. Vastaanotin on differentiaalinen, eli se vahvistaa signaalijohtimien välisen jännite-eron. Siten kumpaankin johtoon yhtä suurina kytkeytyneet häiriöt kumoutuvat.

Suuntakuvio[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Mikrofonia valittaessa tarkoitukseen kuin tarkoitukseen tärkeimpiä asioita taajuusvasteen lisäksi on mikrofonin suuntakuvio. Suuntakuvioita on erilaisia, mutta fysiikan laeista johtuen ne ovat kaikki pyöreitä. Suuntakuvio riippuu mikrofonin akustisesta toimintaperiaatteesta, joita on periaatteessa vain 2: paineherkkä ja nopeusherkkä. Näiden toimintaperiaatteiden yhdistelmillä saadaan toteutettua kaikki seuraavassa esitettävät suuntakuviot, haulikkoa lukuunottamatta. Suuntakuviota muokataan pääasiassa jättämällä kalvon takakammio osittain tai kokonaan avoimeksi. Mitä suuntaavampi mikrofonin suuntakuvio (herttakuvioisilla ja sen muunnoksilla) on, sen erikoisominaisuutena ns. lähiäänivaikutus-, eli proximity-efekti korostuu. Tämä tarkoittaa, että mikäli mikrofoni on todella lähellä äänilähdettä, kuten esimerkiksi rumpusetissä, bassotaajuudet korostuvat luonnottomasti. Proximity-efekti puuttuu painemikrofonilta täysin (pallokuvio). Pallomikrofoni on myös vähemmän herkkä käsittelyäänelle ja tuulelle.

Pallo (engl. omnidirectional) on vanhin suuntakuvio. Mikrofoni, jonka suuntakuvio on pallo, poimii kaikista suunnista tulevat äänet yhtä voimakkaasti.
Hertta (engl. cardioid) on ns. suuntaava kuvio, ja kaksi seuraavaa ovat sen variaatioita. Herttakuvioinen mikrofoni poimii tehokkaasti äänet edestä ja sivuilta, mutta jättää takaa tulevat äänet hiljaisiksi.
Superhertta (engl. supercardioid) on hertan ensimmäinen variaatio, jonka suuntakuvio on kapeampi kuin hertan. Tekniikastaan johtuen se poimii lisäksi myös hiukan takaa tulevia ääniä.
Hyperhertan (engl. hypercardioid) suuntakuvio on vieläkin kapeampi ja se poimii takaa tulevat äänet voimakkaammin kuin superhertta.
Kahdeksikko (engl. bidirectional, figure-8) on nimensä mukaisesti suuntakuvio, joka poimii kahdelta vastakkaiselta puolelta tulevat äänet yhtä voimakkaasti, ja jättää sivuilta tulevat äänet hiljaisiksi.
Haulikko (engl. shotgun) on erityisesti elokuva- ja televisiotuotantoon tarkoitettu mikrofoni, joka poimii tarkasti edestä tulevat äänet (esim. dialogin, toiminnan äänet) ja hiukan heikommin takaa ja sivulta tulevia ääniä (tilaääniä).

Omnipattern.svg Cardioidpattern.svg Hypercardioidpattern.svg Bidirectionalpattern.svg Shotgunpattern.svg
Pallo Hertta Hyperhertta Kahdeksikko Haulikko

Mikrofonivalmistajia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Commons
Wikimedia Commonsissa on kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Mikrofoni.

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. Internetlinkki s.31
  2. Ylen artikkeli langattomien mikrofonien taajuuskaistan uusimisesta.
  3. http://www.lvm.fi/web/fi/tiedote/-/view/1184284 Liikenne- ja viestintäministeriö, tiedote 07.09.2010, Langattomille radiomikrofoneille käyttöaikaa vuoden 2020 loppuun 700-taajuusalueella

Kirjallisuutta suomeksi[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  • Suntola, Silja: Luova studiotyö
  • Laaksonen, Jukka: Äänityön kivijalka

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]