Mikrofoni

Mikrofoni on sähköakustinen muunnin, joka muuntaa äänivärähtelyn vastaavaksi sähköiseksi värähtelyksi. Mikrofoneja käytetään yleisimmin musiikin ja puheen muuttamiseen sähköiseen muotoon vahvistusta tai tallennusta varten.

Historiaa

Mikrofoni on nykyaikaisen äänentallennus- ja -toistotarpeiston vanhanaikaisin väline, mikäli itse johtoja ei lasketa mukaan. Ensimmäisiä mikrofonikokeiluja tehtiin jo 1800-luvun alkupuoliskolla; ensimmäisen varsinaisen mikrofonin kehitti kuitenkin Emile 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, joissa ne olivat tarpeeksi laadukkaita, mutta äänitetallennukseen mikrofonien tuottama äänenlaatu oli melko heikko ja niiden taajuusvaste oli epätasainen. 1930-luvulla kehitettiin ensimmäiset dynaamiset- ja kondensaattorimikrofonit, jotka tuottivat todella laadukasta ääntä, eivätkä olleet liian kalliita valmistaa. Dynaamiset mikrofonit perustuivat samaan tekniikkaan kuin aiemmat, mutta niissä oli joitakin merkittäviä parannuksia verrattuna aiempiin, esimerkiksi hiilimikrofoniin. Kondensaattorimikrofonit sen sijaan olivat aivan uudenlaisia keksintöjä, jotka hyödynsivät uusinta tekniikkaa. Dynaamiset ja kondensaattorimikrofonit otettiin suurimmissa radioyhtiöissä teknisten sovellusten osaksi, sillä kuten sanottua, niiden äänenlaatu oli ratkaisevasti parempi kuin aiempien mikrofonisovellusten. Nykypäivänä kaikkein käytetyimpiä mikrofoneja ovat dynaamiset ja kondensaattorimikrofonit, joista dynaaminen on hinta-laatusuhteensa vuoksi selvästi suositumpi.

Toimintaperiaate

Dynaamisen mikrofonin (engl. dynamic microphone) toimintaperiaate on sama kuin kaiuttimilla: molemmat perustuvat sähköjännitteen muutokseen magneettikentässä. Yksinkertaisimmillaan voidaan sanoa, että dynaaminen mikrofoni sisältää neljä osaa: kalvon, sähköä johtavan kelan, magneetin napakappaleineen, sekä johtimet. Kela on kiinnitetty kalvoon, joka on kiinnitetty runkoon joustavilla ripustuksilla, kuten kaiuttimen elementti. Kun ilman liike saa kalvon värähtelemään, kela liikkuu magneettikentässä, ja sen sähköjännite muuttuu. Johtimet kuljettavat tämän jännitteen muutoksen vahvistimeen, joka vahvistaa signaalin esitys- tai tallennuskelpoiseksi. Dynaaminen mikrofoni on kaikkein yleisin mikrofoni, jolla voidaan toistaa sekä instrumentteja että laulua vaativissakin olosuhteissa melko laadukkaasti. Dynaamiset mikrofonit ovat erityisen suosittuja konserttikäytössä niiden kestävyyden, laadukkuuden ja silti hyvän toiston takia.

Kondensaattorimikrofonin (engl. condenser microphone) 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 jännite ulkopuolisella virtalähteellä, jonka jännite on useimmiten 48V, eli niin kutsuttua phantom-virtaa (engl. phantom power). Kun ilmavirta saa metallilevyn liikkumaan kauemmas ja lähemmäs elektrodista, kondensaattorin sähkövaraus muuttuu. Tämä muutos tuottaa signaalin, joka on liian pieni, jotta se voitaisiin sellaisenaan käyttää. Sen takia mikrofonissa itsessään, tai hyvin lähellä virtatiessä, täytyy olla esivahvistin, joka vahvistaa signaalia. Kondensaattorimikrofoni on mikrofoneista herkin, joka poimii korkeimmat ja matalimmatkin taajuudet melko vaivattomasti. Suurikalvoiset kondensaattorimikit ovat kaikkein tarkimpia, mutta herkimpiä hajoamaan. Pienikalvoiset kestävät suurempaa painetta ja jonkin verran iskujakin.

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

Käsitteitä

Phantomsyöttö

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 niiden herkkä elektroniikka saattaa helposti vaurioitua.

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

Ammattikäyttöön tarkoitetuissa mikrofoneissa käytetään balansoitua johdinta, mikä vähentää matalaimpedanssisen mikrofonisignaalin häiriöherkkyyttä sen kulkiessa pitkässä johtimessa. 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 johtimessa kahteen johtimeen syötetään hyötysignaali vastakkaisvaiheessa ja kolmas toimii maalinjana. Matkalla vastaanottimeen molempiin johtimiin indusoituvat häiriöt samassa vaiheessa, kun vastaanotin kääntää toisen hyötysignaalin vaiheen vastakkaiseksi ja summaa siihen toisen hyötysignaalin, häiriöt kumoutuvat ja hyötysignaali tuplautuu.

Suuntakuvio

Mikrofonia valittaessa tarkoitukseen kuin tarkoitukseen tärkeimpiä asioita taajuusvasteen lisäksi on mikrofonin suuntakuvio. Suuntakuvioita on erilaisia, mutta fysiikan laeista johtuen ne ovat kaikki pyöreitä. Suuntakuviota muokataan muuttamalla kalvon suhdetta runkoon, ja jättämällä kalvon takakammion avoimeksi. Mitä suuntaavampi mikrofonin suuntakuvio (herttakuvioisilla ja sen muunnoksilla) on, sen erikoisominaisuutena ns. lähimikitys-, eli proximity-efekti korostuu. Tämä tarkoittaa, että mikäli mikrofoni on todella lähellä äänilähdettä, kuten esimerkiksi rumpusetissä, bassotaajuudet korostuvat luonnottomasti.

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).

Pallo	Hertta	Hyperhertta	Kahdeksikko	Haulikko

Mikrofonivalmistajia

• AKG
• Sony

Lähteet

Internet

• http://inventors.about.com/library/inventors/blmicrophones.htm
  
• http://home1.pacific.net.sg/%7Efirehzrd/audio/mics.html

Kirjallisuutta suomeksi

• Suntola, Silja: Luova studiotyö

• Laaksonen, Jukka: Äänityön kivijalka