Jörg Wuttke

1. Das Schallfeld

2. Der Frequenzgang

3. Das Richtdiagramm und sein Einfluss

4. Die Nutzung des Richtdiagramms

5. Die Dynamik

6. Ersatzgeräuschpegel

7. Der Grenzschalldruck

8. Impedanzen

Vortrag, gehalten auf der 12. Tonmeistertagung 1981, überarbeitet.

Unter der großen Anzahl wichtiger Mikrofondaten wird allgemein der Frequenzgang der Amplitude als besonders kennzeichnend angesehen. Ein einzelner Frequenzgang jedoch genügt nicht zur vollständigen Beschreibung eines Mikrofons. Z.B. führen verschie­dene Schalleinfallswinkel meist zu unterschiedlichen Frequenzgängen. Zunächst soll daher das aufzuneh­mende Schallfeld betrachtet werden.

Das Schallfeld

Die Komponenten des natürlichen Schallfelds ohne Erstreflexionen sind in Abb. 1 dargestellt. Der zunächst in einem kleinen Bereich konzentrierte Schalldruck ei­ner Schallquelle verteilt sich bei seiner Ausbreitung auf immer größere Raumteile. Die daraus resultierende Ab­nahme des Schalldruckpegels bei gleichartiger Ausbrei­tung in alle Richtungen – also Kugelwellen – ist in Abb. 1 dick gekennzeichnet. Der Schalldruck ist hier proportional zum Reziprokwert des Radius, nimmt also pro Abstandsverdopplung um 6dB ab.

Im schalltoten Raum gilt dies exakt. Sobald aber Re­flexionen auftreten, addieren sich zum direkt von der Quelle herkommenden Schall Anteile aus anderen Rich­tungen. In Räumen wird der Schall an allen Wänden und Hindernissen reflektiert, so dass man sich schließ­lich eine Gleichverteilung über alle Richtungen vorstel­len darf. Der Schall ist diffus.

Der diffuse Schalldruckpegel ist in Abb. 1 durch die gestrichelte horizontale Gerade dargestellt. Dieser Pegel liegt um so höher, je länger die Nachhallzeit des Raums ist. Die Leistungsaddition von direktem und reflektier­tem Schall ergibt den Gesamtschalldruck am jeweiligen Ort.

Um abzuschätzen, ob ein Mikrofon mehr im direkten oder im diffusen Schallfeld platziert ist, muss man den Hallradius kennen; dies ist der Bereich, innerhalb des­sen der direkte Schallpegel höher ist als der diffuse. Der Hallradius eines Raums lässt sich berechnen. Er ist proportional zur Wurzel aus dem Quotienten von Volumen und Nachhallzeit. Das Volumen nimmt dabei wegen seines kubischen Charakters die wichtigere Rolle ein. Zwischen dem Volumen eines kleinen Raums und dem eines großen Saals besteht leicht ein Faktor von mehr als 100. Aus einer kurzen Nachhallzeit wird aber schon nach Multiplikation mit 10 eine lange Nach­hallzeit. Daher sind die Hallradien in kleinen Räumen, wie dies leider in der Regel auch Abhörräume sind, meist überraschend klein, z.B. weniger als 1m. In guten Konzertsälen betragen sie oft 4 bis 6m.

Der Frequenzgang

Nur bei Einsatz des Mikrofons innerhalb des Hall­radius’ und korrekter Ausrichtung auf die Schallquelle gilt die Frequenzkurve des Datenblatts. Sie wird im schalltoten Raum und bei Beschallung allein in Rich­tung der Hauptachse des Mikrofons gemessen. Für schrägwinkligen Schalleinfall ergeben sich meist ande­re Frequenzgänge. Die Frequenzkurve im diffusen Schallfeld kann daher ebenfalls ganz anders aussehen. Dies ist auch die wichtigste Erklärung dafür, warum Mikrofone mit – laut Datenblatt – gleichem Frequenz­gang sehr unterschiedlich klingen können.

Der Frequenzgang im diffusen Schallfeld resultiert aus der Summe der verschiedenen Frequenzgänge für Schalleinfall aus allen Richtungen. Er ist von umso grö­ßerem Einfluss, je weiter entfernt von der Schallquelle ein Mikrofon in einem Raum aufgestellt wird.

Andererseits gibt es auch Gründe, die den Frequenz­gang im direkten Schallfeld vorrangig erscheinen las­sen. So formt der direkte Schallanteil, auch wenn er kleiner ist als der diffuse, stets die erste Wellenfront und liefert damit u.a. die Richtungsinformation. Außer­dem erhöhen sich Anteil und Bedeutung des direkten Schalls dadurch, dass viele Schallquellen gerichtet abstrahlen und dass Mikrofone mit ausgeprägter Richtcharakteristik (z.B. Niere) eingesetzt werden. Statt des Hallradius’ gilt dann der so genannte effek­tive Hallradius, der besagt, ab welcher Distanz der dif­fuse Schallanteil größer ist als der direkte. Der effekti­ve Hallradius ist oft um den Faktor 2 bis 3 größer und wächst mit der Frequenz, wenn Reflexionen und Nach­hallzeit abnehmen.

Das Richtdiagramm und sein Einfluss

Wie sieht der Frequenzgang im diffusen Schallfeld nun aus? Er wird allgemein nur mittelbar durch das Richtdiagramm bei verschiedenen Frequenzen aus­gewiesen und findet deshalb nur wenig Beachtung.

Als erstes Beispiel betrachten wir einen Druckemp­fänger, also ein Mikrofon mit Kugelcharakteristik. Es liegt in der Natur dieser Mikrofone, dass sie bei höhe­ren Frequenzen ihre konstante Empfindlichkeit für Schall aus allen Richtungen verlieren und mehr oder minder gerichtet empfangen. Das Richtdiagramm in Abb. 2 verdeutlicht dies und zeigt, dass Schall, der z.B. aus 180°, also von hinten auf das Mikrofon fällt, bei 10kHz um 6dB geschwächt gegenüber dem durch die Frequenzkurve ausgewiesenen Pegel aufgenom­men wird. Wenn man die Pegelveränderung bei wei­teren Frequenzen für die gleiche Schalleinfallsrich­tung aus dem Polardiagramm in das Frequenzgang­diagramm überträgt, erhält man den kompletten Fre­quenzgang für Schalleinfall aus der gewählten Rich­tung.

Der diffuse Schall beinhaltet Schalleinfall aus allen Richtungen, so dass der entsprechende Frequenzgang in diesem Fall zwischen der 0°- und der 180°-Kurve liegt. Unter der meist zutreffenden Annahme, dass die Richtcharakteristik rotationssymmetrisch ist, kann man den Frequenzgang im diffusen Schallfeld durch grafisches Integrieren ermitteln, entsprechend der Definition des Bündelungsgrads (DIN 45591).

Der zu hohen Frequenzen hin fallende Frequenzgang im diffusen Schallfeld soll hier als Beispiel dienen, wie trügerisch die Betrachtung eines einzelnen Frequenzgangs sein kann. Das in Abb. 2 dargestellte – für Nah­feldeinsatz zweifellos hervorragende – Mikrofon würde in größerer Entfernung und überwiegend diffusem Schallanteil ein dumpfes Klangbild liefern. Bei Druck­empfängern höchster Qualität – wie bei Messmikrofo­nen – unterscheidet man daher meist zwischen solchen für den direkten Schall (Freifeldtypen) und den für diffu­sen Schall. Letztere weisen eine Frequenzgangüber­höhung im direkten Schallfeld auf, die den durch das frequenzabhängige Richtdiagramm bedingten Höhen­verlust im diffusen Schallfeld kompensiert (Abb. 3). Beim bestimmungsgemäßen Einsatz eines diffusfeld­entzerrten Mikrofons – also in großem Abstand zur Schallquelle – bekommt man daher nicht den Eindruck einer Höhenanhebung.

Andere Mikrofone, die prinzipbedingt ein besonders frequenzabhängiges Richtdiagramm haben und daher im diffusen Schallfeld anders reagieren, als es die üb­licherweise veröffentlichte Frequenzkurve zeigt, sind die Interferenzrohr-Richtmikrofone. Da sie – ihrem Ein­satzzweck entsprechend – weit von der Schallquelle eingesetzt werden, der diffuse Schallanteil also relativ groß ist, und andererseits der direkte Schall bevorzugt aufgenommen werden soll, ist bei ihnen nur ein Kom­promiss zwischen gutem Freifeld- oder Diffusfeldfre­quenzgang möglich.

Die Nutzung des Richtdiagramms

Druckgradientenempfänger wie Niere und Hyper­niere bieten Möglichkeiten, dem Ideal eines Mikrofons nahe zu kommen, dessen Frequenzgänge im direkten und diffusen Schallfeld sehr ähnlich sind, obwohl es diesbezüglich nennenswerte Unterschiede zwischen den verschiedenen Modellen des Markts gibt. Abb. 4 und 5 zeigen die Frequenzgänge hochwertiger Konden­satormikrofone mit Nieren- und Supernierencharakte­ristik. Die Diffusfeldkurven liegen um das Bündelungs­maß unter den Kurven für den direkten Schalleinfall in Richtung der Hauptachse des Mikrofons.

Dies hat große Bedeutung im Hinblick auf die Ver­meidung von akustischen Rückkopplungen. Der sie auslösende Schall der Lautsprecher wird mit einer um das Bündelungsmaß reduzierten Empfindlichkeit auf­genommen, wenn die Lautsprecher weiter vom Mikro­fon entfernt sind als es dem Hallradius des Raums entspricht. Nur im Falle einer näheren Aufstellung – z.B. bei Bühnenmonitoren – spielt die Ausrichtung der Mikrofone zum nächsten Lautsprecher eine dominie­rende Rolle. Dann muss das Mikrofon mit seinem Emp­findlichkeitsminimum zum Lautsprecher weisen.

So wie der Frequenzgang in der Praxis häufig von der Art des Schallfelds abhängt, verliert auch das Richtdiagramm an Bedeutung, wenn der diffuse Schall zunimmt. Das Richtdiagramm gilt nur für den direkten Schall. In den diffusen Anteilen eines natürlichen Schall­felds gibt es keine Vorzugsrichtung. Daher lässt die „Schärfe“ der Richtwirkung in Räumen mit zunehmen­dem Abstand von der Schallquelle nach, bis sie im Ex­tremfall nicht mehr feststellbar ist.

Die Vorstellung, dass Richtmikrofone Schall, der in Richtung ihrer Hauptachse einfällt, hervorheben, trifft leider nicht zu. Die Richtwirkung aller gängigen Modelle beruht alleine darauf, dass Schall aus anderen Rich­tungen als „von vorn“ mehr oder minder unterdrückt wird. Anders ist dies nur bei der Verwendung eines Parabolspiegels. Manche Anwender überschätzen die Möglichkeiten eines stark richtenden Mikrofons, weil sie erwarten, dass sie damit eine Schallquelle genauso orten kön­nen, wie sie selbst. Dies ist aber auf ein monofones Mikrofon nicht übertragbar. Der Mensch wertet die erste Wellenfront stereofon aus und kann nur deshalb auch im diffusen Schallfeld noch orten. Wie hoch der Einfluss des diffusen Schallfelds ist, kann man abschätzen, indem man sich vorstellt, um wie viel leiser das gleiche Schallereignis bei gleichem Abstand in weniger reflektierender Umgebung – z.B. im Freien – wäre.

Die Dynamik

Nach diesen Betrachtungen zu Frequenzgängen und Richtdiagrammen soll die Dynamik diskutiert werden. Sie – bzw. ihre Grenzen – werden aus praktischen Gründen fast nur für hochwertige Kondensatormikro­fone angegeben.

Die alleinige Angabe der Dynamik sagt noch nichts darüber aus, ob das Mikrofon auch für die Aufnahme sehr leiser Geschehnisse geeignet ist. Ein Dynamikge­winn kann z. B. alleine durch eine Erhöhung des Grenz­schalldrucks erzielt werden, unter Beibehaltung des Grundgeräuschs. Im Hinblick auf die Vorzüge der Digi­taltechnik wäre aber insbesondere ein geringes Grund­geräusch von Interesse.

Ersatzgeräuschpegel

Praktiker verwenden, auch nachdem es nicht mehr der Norm entspricht, noch gerne den Begriff der sog. „Ersatzlautstärke“. Damit wird verdeutlicht, welcher akustische Pegel dem im Mikrofon zustandekommen­den Störpegel unter Zugrundelegung der Empfindlich­keit entspricht. So ist die Suche nach einem Mikrofon mit weniger als z.B. 24dB „Ersatzlautstärke“ nicht sinnvoll, wenn schon die Umwelt des Studios „etwa so laut“ ist.

Genau genommen ist diese Ausdrucksweise aber falsch. Lautstärke ist ein subjektives Maß, dessen Er­mittlung schwierig ist. Der Pegel dagegen ist eine ein­fach messbare physikalische Größe. Man muss bei sei­ner Angabe allerdings darauf achten, ob und wie die Störung bewertet wurde. Störspannungsangaben fal­len besonders niedrig aus, wenn die A-Kurve genutzt wird, was auch immer mit einer Effektivwertmessung verbunden ist. Deshalb werden solche Messergebnisse gerne in Katalogen genannt. Die A-Bewertungskurve war ursprünglich aber für ganz andere Einsatzgebiete gedacht.

Mehr Aussagekraft im Hinblick darauf, wie störend ein Signal ist, ergibt sich durch die Verwendung der CCIR-Bewertungskurve bei „quasi-peak-Messung“. Diese Messart wurde eigens für Störspannungsunter­suchungen geschaffen. Die Katalogangaben zu Stör­spannungen fallen hiermit bei Kondensatormikrofonen ca. 10 - 12dB schlechter aus. Diese Relation kann aber nicht verallgemeinert werden.

Statt von der Ersatzlautstärke spricht man heute vom Ersatzgeräuschpegel oder auch vom äquivalen­ten Schalldruckpegel.

Der Geräuschspannungsabstand

Der Geräuschspannungsabstand ergibt sich aus dem Ersatzgeräuschpegel, indem man diesen von dem akustischen Bezugspegel von 1 Pascal abzieht (1Pa entspricht 94dB-SPL).

Da der akustische Bezugspegel weit unter Vollaus­steuerung der Mikrofone liegt, kann ein Vergleich mit den Geräuschspannungsabständen anderer Geräte zu Trugschlüssen führen. Ein Geräuschspannungsabstand von z.B. 75dB mit CCIR-Bewertung ist ein exzellenter Wert für ein Mikrofon und erweckt evtl. dennoch kei­nen guten Eindruck. Würde man den Geräuschspan­nungsabstand von Mikrofonen – wie bei anderen Geräten – auf Vollaussteuerung beziehen, bekäme man Werte, die in der Digitaltechnik 20 bit oder mehr erfordern.

Der Grenzschalldruck

Die obere Grenze des Dynamikbereichs ist durch den Schalldruck gegeben, bei dem das Mikrofon – bei Kondensatormikrofonen meist der Mikrofonverstärker – einen vorgegebenen Klirrfaktor von z.B. 0,5% pro­duziert. Soll der Grenzschalldruck eines Mikrofons voll in Anspruch genommen werden, ist es empfehlens­wert, den Wert des Betriebsübertragungsfaktors – meist nur Empfindlichkeit genannt – zu betrachten. Es gibt Kondensatormikrofone, die bei Grenzschall­druck Linienpegel oder mehr abgeben. Dadurch kann es an dem Eingang, an den das Mikrofon angeschlos­sen wird, zur Übersteuerung kommen, die oft fälsch­lich dem Mikrofon angelastet wird. So können auch Popp- und Windprobleme, die mit hohen Ausgangs­spannungen der Mikrofone verbunden sind, am Misch­pulteingang entstehen, obwohl das Mikrofon selbst noch störungsfrei arbeitet. Diese Schwierigkeiten tre­ten mit dynamischen Mikrofonen selten auf, weil sie viel geringere Pegel liefern als Kondensatormikrofone.

Impedanzen

Bei der Verarbeitung höchster Pegel durch Mikrofon und Mischpult müssen schließlich die lmpedanzverhält­nisse besondere Beachtung finden. Während dynami­sche Mikrofone hinsichtlich ihres Abschlusswiderstands relativ unkritisch sind, wird die maximale Aussteuerbar­keit von Kondensatormikrofonen allgemein durch einen zu niederohmigen Abschluss – z.B. 200 Ω – stark re­duziert. Dies hängt mit den Impedanzwandlerschaltun­gen der Mikrofonverstärker zusammen.

Generell soll der Innenwiderstand eines Mikrofons im Interesse geringer Störempfindlichkeit und geringen Rauschens so niederohmig wie möglich sein. Der Ab­schlusswiderstand soll dagegen so hochohmig sein, dass das Mikrofon praktisch im Leerlauf arbeitet. Auch für dynamische Mikrofone ist dies vorteilhaft. Schließ­lich bildet die Impedanz des Mikrofons mit der lmpe­danz des Eingangs einen Spannungsteiler, der fre­quenzabhängig sein kann, da die Komponenten R, L und C für Mikrofon und Eingang nicht einheitlich sind. Frequenzgangangaben von Mikrofonen gelten stets für den Leerlauf. Eine Parallelschaltung von Mikrofonen ist daher generell unvertretbar. Das eine Mikrofon wird durch das andere zu stark belastet. Entkopplungs­widerstände würden ins Rauschen eingehen, und im Falle von Kondensatormikrofonen würde die Phantom­speisung beeinträchtigt sein (siehe Aufsatz 13).

Die Tatsache, dass Studiomikrofone sehr oft einen Innenwiderstand von 200 Ω haben, hängt damit zu­sammen, dass meist Spulen im Einsatz sind, z.B. die Spule eines dynamischen Mikrofons oder die Sekun­därseite eines Übertragers. Um mit diesen einen mög­lichst hohen Übertragungsfaktor zu erzielen, wird die Windungszahl hoch gewählt unter Ausnutzung des oberen Grenzwerts von 200. Innenwiderstand.

Kondensatormikrofonverstärker können auch ohne Übertrager und mit sehr niedrigem Innenwiderstand hohe Betriebsübertragungsfaktoren aufweisen (z.B. SCHOEPS CMC 54U: 15mV/Pa aus 35 Ω). Die Ein­gangsimpedanz der angeschlossenen Geräte stellt im Betrieb die Lastimpedanz der Mikrofone dar. Sie liegt meist bei 600 Ω und mehr. Damit ist der Leerlauffall annähernd erfüllt.

Der Betriebsfall, bei dem ein kleiner Quellwiderstand mit einem sehr hohen Lastwiderstand abgeschlossen wird, nennt man „Spannungsanpassung“. Demgegen­über sind bei Leistungsanpassung Quell- und Lastwi­derstand gleich, z.B. 200 Ω. Dieser Betriebsfall ist für Mikrofone nicht vorgesehen; er bringt viele Nachteile mit sich. Wenn Hersteller von 200 Ω-Eingängen spre­chen, so ist dies – von bedauerlichen Ausnahmen abgesehen – oft nur ein unglücklicher Jargon. Tatsäch­lich beträgt die Impedanz dieser Eingänge nämlich durchaus 600 Ω und mehr. Manchmal soll nichts weiter damit ausgedrückt werden, als dass die Empfindlich­keit dieser Eingänge für normale, dynamische Mikro­fone mit symmetrischem 200 Ω-Innenwiderstand aus­gelegt ist.

Ein weiterer Grund für die irreführende Bezeichnung „200 Ω-Eingang“ kann darin liegen, dass dieser Ein­gang mit einer Quellimpedanz von 200 Ω betrieben werden soll­te, um einen konstanten Frequenzgang zu gewähr­leisten. In diesen Eingängen befinden sich meist kleine Übertrager, deren Resonanzüberhöhung sehr dicht am – oder sogar im – Übertragungsbereich liegt. Der Frequenzgang ist dann nur bei Anschluss eines Mikro­fons mit 200 Ω Innenwiderstand korrekt. Andere Quell­widerstände beeinflussen den Frequenzgang bei hohen Frequenzen und, auf Grund der meist kleinen Hauptinduktivität, auch bei tiefen Frequenzen.

Wird ein Mikrofon mit niedrigerer Impedanz als 200 Ω an einen derartigen Eingang angeschlossen, sollten im Mikrofon oder im Kabel zwei ergänzende Widerstände symmetrisch in Serie geschaltet werden. Bei phantom­gespeisten Kondensatormikrofonen ist dann zu beach­ten, dass diese Widerstände gepaart sein sollen, um die Symmetrie nicht zu stören. Der Einfluss auf Pegel und Stromversorgung ist unbedeutend; man gibt lediglich die Vorteile einer besonders niedrigen Quellimpedanz für das betreffende Mikrofon auf.

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