Jörg Wuttke

1. 1. Problem - Ursachen

2. 2. Mikrofontypen

3. 3. Messtechnik

4. 4. Eingangsverstärker

5. 5. Windschutztypen

6. 6. Ergebnisse

7. Literaturverzeichnis

Vortrag, gehalten auf der 14. Tonmeistertagung 1986, bearbeitet.

In diesem Beitrag werden die verschiedenen Mikro­fontypen und ihre unterschiedliche Empfindlichkeit ge­genüber Einflüssen von Wind- und Poppgeräuschen be­schrieben. Alle Mikrofonarten haben ihre eigenen Vor- und Nachteile. Die verschiedenen Windschutzmaßnahmen, zum Beispiel Schaumstoffwindschutze, kugelförmig ab­gerundete Zylinder, pelzartige Windschutzüberzüge wer­den behandelt.

Der Autor kommt zu dem Ergebnis, dass alle Elemen­te der Übertragungskette, insbesondere aber der Ein­gang, an dem das Mikrofon angeschlossen wird, eine hohe Übersteuerungssicherheit haben müssen. Das am besten für Aufnahmen bei Wind geeignete Mikrofon hat Kugelcharakteristik. Eine steilflankige Tiefenabsenkung am Mikrofon vermeidet ein “Zustopfen” der folgenden Stufen. Auf Druckempfängern sind Schaumstoffwind­schutze am wirksamsten, auf Druckgradientenempfän­gern indessen die Windschutzkörbe.

Unter Zugrundelegung dieser Erkenntnisse wurde spä­ter eine neue Art von Schaumstoffwindschutzen ent­wickelt, die innen hohl sind. Solche Windschutze bewähren sich gut, insbesondere bei Open-Air-Konzer­ten, bei denen es nicht nur auf den Schutz gegen Wind ankommt, sondern auch auf bestmöglichen Erhalt der Klangqualität.
Eine erweiterte Form dieses Aufsatzes liegt in Englisch vor /1/.

1. Problem – Ursachen

Probleme mit Wind sind jedem Praktiker, der Tonauf­nahmen im Freien macht, zur Genüge bekannt. Auch dieser Aufsatz bietet keine Patentlösung, aber es wer­den einige Hinweise zur Lösung spezifischer Probleme gegeben.

Popp-Störungen werden durch Plosivlaute ausge­löst, wenn das Mikrofon in kurzem Besprechungsab­stand benutzt wird. Diese Störungen haben große Ähn­lichkeit mit Windstörungen, aber sie treten nur kurz­zeitig auf und kommen praktisch immer aus der glei­chen, definierten Richtung. Popp-Mikrofone können speziell für diesen Anwendungsfall entwickelt werden und dadurch relativ kompakt gebaut sein. Für den all­gemeinen Einsatz bei Wind sind sie meist weniger ge­eignet. Umgekehrt kann ein Mikrofon mit einem Wind­schutz aber gut zur Vermeidung von Popp-Störungen eingesetzt werden, wenn dessen Größe nicht stört.

Eine Möglichkeit, Standardmikrofone vor Popp-Pro­blemen zu schützen, sind Gewebeschirme, die mit eini­gen Zentimetern Abstand vor der Einspracheöffnung des Mikrofons montiert werden. Mit ihnen lässt sich die Klangqualität des Mikrofons bei hoher Schutzwir­kung am besten erhalten.

2. Mikrofontypen

Verschiedene Mikrofontypen weisen unterschiedliche Empfindlichkeit gegenüber Störungen durch Wind auf. Der größte Unterschied ergibt sich zwischen Druck­empfängern, also Mikrofonen mit Kugelcharakteristik, und Richtmikrofonen, deren Funktion auf der Nutzung des Druckgradienten beruht.

Druckempfänger haben nur eine Schalleintrittsöff­nung, an der für alle Frequenzen des Übertragungs­bereichs stets die volle Amplitude des örtlichen Schall­drucks zum Antrieb der Membran zur Verfügung steht. Dass dies sehr vorteilhaft ist, um die Empfindlichkeit gegenüber Wind gering zu halten, wird deutlich, wenn man sich die Verhältnisse bei Druckgradientenemp­fängern vergegenwärtigt.

Bei diesem Wandlertyp ist es die Druckdifferenz zwi­schen den Schalleintrittsöffnungen, die zum Antrieb der Membran genutzt wird. Diese Druckdifferenz wird aber bei tiefen Frequenzen geringer, da dem konstan­ten Abstand zwischen zwei Schalleintrittsöffnungen ein kleinerer Phasenwinkel entspricht. Um einem Tiefen­abfall des Systems entgegenzuwirken, muss daher die Membran für tiefe Frequenzen sehr leicht beweg­lich sein. Dies führt zu einer besonders großen Emp­findlichkeit der Druckgradientenempfänger gegenüber Wind. Die Störungen an den Schalleinlässen sind außerdem nur wenig korreliert, so dass die Differenz hohe Spitzenwerte annehmen kann.

Rohr-Richtmikrofone erzielen ihre besondere Richt­wirkung bei hohen Frequenzen durch Interferenz. Bei Windproblemen handelt es sich aber vor allem um tief­frequente Phänomene. Da die gängigen Rohr-Richt­mikrofone in diesem Frequenzbereich Druckgradienten­empfänger sind, verhalten sie sich im Wesentlichen wie diese.

3. Messtechnik

Die messtechnische Untersuchung von Mikrofonen im Wind gestaltet sich nicht ganz einfach, weil die meisten künstlichen Windquellen, wie zum Beispiel Ventilatoren, Geräusche machen, die natürlich eben­falls vom Mikrofon aufgenommen werden und so das Messergebnis verfälschen. Sofern man das Mikrofon an seinem Kabel pendeln lässt, kann man nach den bekannten physikalischen Gesetzen die eintretende Geschwindigkeit am Mikrofon und damit eine relative Windgeschwindigkeit bestimmen. Es gibt noch weitere Methoden, aber leider entsprechen diese Versuche in der Praxis meist nur dem Anwendungsfall mit einer schnell bewegten Angel, und es ist nicht ausreichend, einen Windschutz nur danach zu konzipieren. Wind um ein bewegtes Mikrofon ist laminar, und ein Wind­schutz, der sich unter diesen Umständen bewährt, kann in einer turbulenten Strömung eventuell sogar eine Verschlechterung der Windempfindlichkeit des Mikrofons bewirken. Ausgerechnet turbulente Strömun­gen stören aber im Freien ganz besonders.

Ende der 60er Jahre hat H. Buhlert als Mitarbeiter des IRT in Hamburg einen großen, leisen Lüfter ent­wickelt, der Wind geeigneter Turbulenz produzieren kann. Diese Windmaschine wurde von mehreren Mikro­fonherstellern nachgebaut und hat bisher gute Dienste geleistet. Abb. 1 zeigt diese Maschine.

Das typische Störspektrum weist einen sehr starken Anstieg zu tiefen Frequenzen hin auf. Dies liegt zu­nächst in der Natur des turbulenten Windes, wird aber – wie bereits erklärt – bei Verwendung von Druckgra­dientenempfängern noch verstärkt. Abb. 2 zeigt die Spektren für einen Druckempfänger und einen Druck­gradientenempfänger mit Supernierencharakteristik. Der Betriebsübertragungsfaktor (Empfindlichkeit) bei­der Mikrofone ist gleich.

4. Eingangsverstärker

Lange Messreihen haben gezeigt, dass die Stör­spektren natürlich vom Windschutz abhängen, ferner von der Windgeschwindigkeit und dem Winkel, in dem der Hauptstrom des Winds auftrifft. Die Tendenz ist jedoch immer gleich: Die höchsten Störamplituden gibt es bei den tiefsten Frequenzen.

Hier liegt eine besondere Problematik für den ange­schlossenen Mikrofonverstärker. Sofern Kondensator­mikrofone verwendet werden, bekommt der Eingang bereits einen um etwa 20dB höheren Pegel als bei dynamischen Mikrofonen und muss entsprechend übersteuerungssicher sein. Meist wird aber die Über­steuerungssicherheit nur für den Übertragungsbereich angegeben oder eventuell sogar nur für 1kHz. Dadurch wird nicht deutlich, welche Probleme bei Wind ent­stehen können.

Abb. 3 zeigt den Klirrfaktor eines Mikrofoneingangs mit kleinem Eingangsübertrager. Man sieht, dass der Klirrfaktor unter 20Hz steil ansteigt. Die gewählte Ein­gangsspannung ist dabei noch nicht einmal so hoch, wie sie heute viele moderne Kondensatormikrofone verzerrungsfrei abgeben können. Bei Übersteuerun­gen sollte man daher nicht nur an das Mikrofon den­ken.

Da viele Mikrofone sogar im Infraschallbereich noch zu erheblichen Störpegeln durch Wind angeregt wer­den, kommt es schließlich dazu, dass der Eingangs­übertrager gesättigt wird, somit wie ein Transduktor arbeitet und den Signalfluss unterbricht. Aus dem theoretisch unhörbaren Ereignis des Infraschalls wird dann das bekannte „Zustopfen“. Natürlich kann dies auch durch andere nichtlineare Elemente im Übertra­gungsweg ausgelöst werden.

In besonderen Fällen können die Verhältnisse am Eingangsübertrager noch verschärft werden, wenn die Phantomspeisung Mängel aufweist. Die Gleichheit der Speisewiderstände ist mit einer Differenz von max. 0,4% genormt. Wenn statt dessen dennoch ungepaar­te 5%-Widerstände Verwendung finden, ist nicht nur die Betriebsunsymmetriedämpfung Zufallssache. Es können auch Gleichströme durch den Übertrager flie­ßen, die dessen Aussteuerbarkeit verschlechtern (siehe auch Aufsatz 13). Nach diesen Ausführungen kommt der Eindruck auf, dass dynamische Mikrofone eventuell wesentlich bes­sere Voraussetzungen zum Einsatz bei Wind bieten. Das ist aber kaum der Fall.

Mikrofone können zwischen Wind und Schall nicht unterscheiden. Sofern die Übertragungseigenschaften gleich sind, ergeben sich daher unabhängig vom Wand­lertyp gleiche Ausgangssignale, wenn die die Membran treibenden Kräfte gleich sind. Es spielt dabei keine Rol­le, ob diese Kräfte aus dem Schallfeld stammen oder vom Wind herrühren. 
Dennoch ergibt sich in der Praxis oft der Eindruck, dynamische Mikrofone böten Vorteile bei Wind. Daher ist es sinnvoll, die Ursache zu klären, um sie auf das Kondensatormikrofon zu übertragen.

Vom höheren Pegel der Kondensatormikrofone war bereits die Rede, und es ist selbstverständlich, dass er bei unzureichender Aussteuerbarkeit des Eingangs reduziert werden kann, obwohl das im Interesse der übrigen Störsicherheit zu bedauern ist.

Außerdem haben dynamische Mikrofone oft einen weniger guten Tiefenfrequenzgang, vor allem, wenn man auch tiefste Frequenzen betrachtet. Dynamische Systeme geraten dort zwangsläufig an die Grenze ihrer Linearität, da sie für eine konstante Ausgangsspannung eine konstante Schnelle der Membran benötigen. Sie würde bei besonders tiefen Frequenzen zu unmöglich großen Hüben führen. Beim Kondensatormikrofon ist die Ausgangsspannung jedoch proportional zur Aus­lenkung der Membran, und das System kann theore­tisch bis zu 0Hz herab arbeiten.

Um Windproblemen zu begegnen, ist es daher bei Kondensatormikrofonen besonders wichtig, eine geeig­nete Tiefenabsenkung einzuführen. Wie schon zuvor bemerkt, muss dies eventuell vor dem Eingangsüber­trager erfolgen. Abb 4 zeigt die Frequenzkurve eines kontinuierlich einstellbaren Filters, das zwischen die Kapsel und den Verstärker eines Kondensatormikro­fons eingefügt werden kann. Gegen die Übersteue­rung von Übertragern hilft besonders der starke Abfall von 24dB/Okt. unterhalb 60Hz.

5. Windschutztypen

Schließlich spielt aber der Windschutz eine bedeutende Rolle. Bei dynamischen Mikrofonen ist das Sy­stem meist mehr geschützt als bei den vergleichs­weise „nackten“ Kondensatormikrofonen.

Unter den Windschutzen sollen im Weiteren vor allem die beiden Grundtypen analysiert werden, die im Abb. 5 gezeigt sind. Es handelt sich um Windschutzkörbe und um einfache Vollschaumstoff-Windschutze, die am wei­testen verbreitet sind.

Hohle Schaumstoffwindschutze haben wesentliche Eigenschaften mit den Windschutzkörben gemein, aber die inneren Reflexionen sind weniger ausgeprägt /1/.

Der Windschutzkorb ist dadurch gekennzeichnet, dass er ein Volumen um die Kapsel oder auch das gesamte Mikrofon einschließt. Das ist ein wesentliches Merkmal, weil hierdurch eine besonders große Wirkung bei Druckgradientenempfängern erzielt wird. Wie be­reits früher erwähnt, trägt nämlich die geringe Korre­lation zwischen den Störgrößen an den unterschied­lichen Schalleintrittsöffnungen zur hohen Windempfind­lichkeit dieser Mikrofone bei. Das umschließende Volumen funktioniert nun aber bei tiefen Frequenzen, deren Wellenlänge groß ist gegenüber dem Wind­schutz, partiell wie eine Druckkammer. Dadurch wer­den die Drücke an den Schalleinlässen des Richtmikro­fons stärker miteinander korreliert, und die die Mem­bran bewegende Differenzstörung wird kleiner. Dieser Effekt wird umso stärker, je dichter das Volumen abge­schlossen ist, je dichter also beispielsweise der Stoff der Umhüllung gewebt ist. Natürlich sind hier Grenzen gesetzt, denn letztendlich wird die eigentliche Funktion des Mikrofons dadurch beeinträchtigt. Alle Windschutze haben außer ihrem erwünschten Effekt auch nachtei­lige Nebenwirkungen auf den Frequenzgang und das Richtdiagramm, und dies gilt meist umso mehr, je wirksamer der Windschutz bei vorgegebener Größe ist. Sie spielt eine bedeutende Rolle: Ein größerer Windschutz verschlechtert im allgemeinen die Über­tragungseigenschaften weniger als ein ebenso wirk­samer kleiner Windschutz.

Abb. 6 und 7 zeigen die Wirkung und den akusti­schen Einfluss der verschiedenen Windschutztypen auf Mikrofone der beiden unterschiedlichen Arbeits­prinzipien.

Die Windschutzkörbe (hier W 20) behindern die hin­durchlaufende akustische Welle derart, dass ein Teil der tieffrequenten Wellen in einen gleichmäßig verteilten Wechseldruck im Inneren des Volumens umgewandelt wird. Dieser bereits erwähnte “Druckkammereffekt” ist für die Wirkung des Windschutzes auf Druckgra­dientenempfängern (hier MK 41) wichtig. Gleichzeitig wird aber eine Tiefenabsenkung bewirkt, weil die Membran dieser Mikrofone durch den Differenzdruck zwischen den Schalleinlässen bewegt wird. 
Die Tiefenabsenkung als solche ist oft durchaus wünschenswert. Nachteilig ist dagegen, dass durch die Wirkung des Windschutzkorbs bei Tiefen auch ein Teil der Richtungsinformation verloren geht. Das Bündelungsmaß wird daher in diesem Frequenzbereich reduziert.

Bei hohen Frequenzen, bei denen der Windschutz größer ist als λ/2, ergeben sich im Inneren stehende Wellen, wie sie aus der Raumakustik bekannt sind. Dies führt zur Welligkeit des Frequenzgangs, die davon ab­hängt, wo die Kapsel im Windschutz platziert ist (am besten nahe der Mitte). Außerdem hat die akustische Wandlerimpendanz Rückwirkungen auf die Schwingungsmodi, so dass es sich nicht allgemein angeben lässt, wie der Frequenzgang verändert wird. Es ist aber eindeutig, dass eine klangliche Verfärbung eintritt.

Sofern ein gewöhnlicher Schaumstoffwindschutz (hier W 5) auf einem Druckgradientenempfänger ver­wendet wird, ist er für die Arbeit im Freien oft nicht ge­nügend wirksam. Die Ursache besteht darin, dass der Schaumstoff an den Schalleintrittsöffnungen anliegt und daher keine verbesserte Korrelation zwischen den Störungen am vorderen und hinteren Schalleinlass zustande kommt.

Der Schaumstoff als solcher dämpft Turbulenzen aber besonders wirksam und ist daher sehr gut geeig­net, Windstörungen bei Druckempfängern (hier MK 2) zu reduzieren. Schaumstoffwindschutze sind auf Druckempfängern sogar wirksamer als die Windschutz­körbe.

Sofern die Verwendung eines Mikrofons mit Kugel­charakteristik akzeptiert werden kann, ist es sehr zu empfehlen, lediglich einen dicken Schaumstoffwind­schutz zu verwenden. Bei Eigenbauten ist auf eine ge­eignete Dichte und Porenzahl zu achten. Besonders wichtig ist außerdem, dass der Schaumstoff offenpo­rig ist.

Der Einfluss auf den Frequenzgang und das Richt­diagramm ist im Wesentlichen nur bei hohen Frequen­zen feststellbar. Der Schaumstoff wirkt mit seinen engen Kanälen und Lufteinschlüssen wie ein akusti­scher RC- oder auch LC-Tiefpass und absorbiert Höhen. Durch Verwendung diffusfeld-entzerrter Kugeln lässt sich dies aber kompensieren. 
Nach diesen Ausführungen sollen noch einige Son­derformen von Windschutzen erwähnt werden.

Bei allen Windschutzen kann außer der noch durch­dringenden Windstörung auch ein Sekundäreffekt be­obachtet werden, nämlich die Entstehung von Geräu­schen am Windschutz selbst. Kugelförmige oder kugel­förmig abgerundete Zylinder vermeiden am besten die Entstehung zusätzlicher Turbulenzen am Windschutz. Dabei muss man auch sehr darauf achten, dass zum Beispiel Versteifungsstege keine Pfeifgeräusche verur­sachen. Ein pelzartiger Windschutzüberzug vermeidet nicht nur gut das Zustandekommen von zusätzlichen, sondern bedämpft auch wirksam die vorhandenen Tur­bulenzen.

Eine andere Sonderform betrifft Schaumstoffwind­schutze, die innen hohl sind. Sie unterscheiden sich bei der Verwendung auf Druckgradientenempfängern sehr positiv von den bekannteren Vollschaum-Ausfüh­rungen. Wesentliche Merkmale dieser Hohl-Schaum­stoffwindschutze (SCHOEPS: B 5 D und W 5 D) fallen unter die Kategorie der Windschutzkörbe.

Eine weitere Sonderform betrifft die Schachtelung von Windschutzkörben, also die Verwendung eines zu­sätzlichen Windschutzes in einem Windschutzkorb. 
Generell lässt sich feststellen, dass dieses Verfah­ren bei Druckempfängern nicht sinnvoll ist. Ein gleich voluminöser Schaumstoffwindschutz bringt bei die­sen Wandlern praktisch immer das bessere Wind­schutzmaß.

Auf Druckgradientenempfängern ist die Schachte­lung erfolgreich, aber sie hat unter Umständen schlim­me Folgen auf Richtwirkung bzw. Bündelungsmaß. Darauf sollte man achten: Sofern geschachtelt wird, sollte auf dem Mikrofon kein Schaumstoffwindschutz Verwendung finden. Er kann das Ergebnis verschlechtern, weil er durch die unterschiedlichen Kanäle zum vorde­ren und hinteren Schalleinlass einen Teil der durch das Volumen des Korbs erhöhten Störungskorrelation wieder vermindert.

Abb. 8a: ORTF-Stereomikrofon	Abb. 8b: MS-Stereomikrofon

Schließlich soll noch eine Betrachtung von Wind­schutzen bei stereofonen Mikrofonen angestellt wer­den. Auf koinzidenten Systemen, wie der in Abb. 8 un­ten gezeigten MS-Anordnung, kann man natürlich nur einen einzelnen Windschutz der beschriebenen Formen montieren. Am besten bringt man die ganze Anordnung in einem Windschutzkorb unter.

Bei dem unten abgebildeten ORTF-Mikrofon ist aber 
– wie gezeigt – die Montage von zwei Windschutzkör­ben möglich. Jede Kapsel für sich verhält sich natür­lich wie bisher besprochen. Für die Mono-Summe beider Kapseln ergeben sich jedoch bessere Verhält­nisse. Bei frontaler Beschallung ergibt sich für das Signal ein Pegelanstieg von 6dB. Das Windstörsignal erhöht sich aber wegen der geringen Links/Rechts-Korrelation weniger. Ein gemeinsamer Windschutzkorb würde also in diesem speziellen Fall partiell den Nach­teil bringen, dass die Links/Rechts-Korrelation der Störung erhöht wird, die dann im Mono-Signal eben­so stark auftritt wie im Stereo-Signal.

6. Ergebnisse

Abschließend seien die wichtigsten Feststellungen zusammengefasst:

1. Alle Elemente der Übertragungskette, insbesonde­re aber der Eingang, an den das Mikrofon angeschlos­sen wird, müssen eine hohe Übersteuerungssicherheit haben. Dies gilt ganz besonders bei tiefen Frequenzen bis in den Infraschallbereich.
2. Das am besten geeignete Mikrofon für Einsatz bei Wind hat Kugelcharakteristik. Bei Luftbewegungen aller Art sollte man seinen Gebrauch immer erwägen und auch bedenken, dass die Richtwirkung von Druck­gradientenempfängern durch hochwirksame Wind­schutze bei tiefen Frequenzen ohnedies geschwächt wird.
3. Bei einem Vergleich von Kugel- und Richtmikrofon mit dem jeweiligen Windschutz muss außerdem be­rücksichtigt werden, dass die Kugel durch ihre perfekte Tieftonübertragung bei vielen Anwendungen im Freien im Nachteil ist. Deshalb sollte der Frequenzgang der Kugel durch ein elektrisches Filter so absenkt werden, wie es bei Richtmikrofonen naturgemäß gegeben ist. (Aufsätze 1 und 8)
4. Eine steilflankige Tiefenabsenkung am Mikrofon vermeidet das “Zustopfen” folgender Stufen.
5. Auf Druckempfängern sind Schaumstoffwind­schutze am wirksamsten. Dem durch sie bewirkten Höhenabfall kann man mit Kapseln mit Höhenanstieg (Diffusfeldkapseln) begegnen. Weitere negative Einflüs­se gibt es nicht.
6. Auf Druckgradientenempfängern sollte man mög­lichst nur Windschutze verwenden, die ein Volumen um alle Kapselöffnungen einschließen (Windschutz­körbe).
7. Windschutzkörbe bewirken auf Druckgradienten­empfängern eine Tiefenabsenkung und sowohl auf ihnen wie auch auf Druckempfängern eine Welligkeit des Frequenzgangs bei hohen Frequenzen.
8. Große Windschutze beeinträchtigen bei gleicher Wirksamkeit die Übertragungsdaten meist weniger als kleine.

 

Literaturverzeichnis:

1. J. Wuttke, Microphones and Wind, J. Audio Eng. Soc., Vol. 40, No. 10, October 1992, S. 809 - 817; Weitere Literaturstellen in /1/: P. Buhlert, Norddeut­scher Rundfunk, Hamburg, unveröffentlichter Auf­satz
2. H.-J. Schubert, Einige Betrachtungen zur Dimen­sionierung von Windschutzgeräten für Studiomikro­fone, Techn. Mitteilungen, Rundfunk- und Fernseh­techn. Zentralamt, Band 12, Nr. 4, 1986, S. 160 ­165
3. P. Költzsch, Zur Windgeräuschdämpfung von Wind­schirmen, Hochfrequenztechn. Elektroakust., Band 80, Februar 1971, S. 1 - 9
4. E. Werner, Dependence of Microphone Pop Data on Loudspeaker Properties, J. Audio Eng. Soc. (Engineering Reports), Band 38, Juni 1990,
5. S. 469 -476
6. H. Wollherr und H. Ball, Messtechnische Bestim­mung der Pop-Empfindlichkeit von Mikrofonen, in: Fortschritte der Akustik, DAGA-Tagungsband, 1991
7. J.C. Bleazey, Experimental Determination of the Effectiveness of Microphone Wind Screens, J. Audio Eng. Soc., Band 9, Januar 1961, S. 48 - 54
8. F. Skode, Windscreening of Outdoor Microphones, Brüel & Kjær Technical Review, Band Nr. 1, 1966,
9. S. 3 - 10
10. M. Brock, Wind and Turbulence Noise of Turbu­lence Screen, Nose Cone and Sound Intensity Probe with Windscreen, Brüel & Kjær Technical Review Nr. 4, S. 32 - 39

 

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