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Kondensatormikrofon

Das Kondensatormikrofon (engl. condenser microphone, capacitor microphone) ist ein elektroakustischer Wandler, der Schalldruckimpulse in entsprechende elektrische Spannungsimpulse wandelt.

Dieses Mikrofon arbeitet nach dem physikalischen Prinzip des Kondensators und ist auf eine elektrische Spannung zwischen den Kondensatorplatten angewiesen.

Inhaltsverzeichnis

Prinzip

Beim Kondensatormikrofon ist eine wenige tausendstel Millimeter dicke, elektrisch leitfähige Membran dicht vor einer - aus akustischen Gründen oft gelochten - Metallplatte elektrisch isoliert angebracht. Technisch betrachtet ist diese Anordnung ein Plattenkondensator mit Luft-Dielektrikum, der eine elektrische Kapazität von etwa 20 bis 100 pF besitzt. Die Kapazität C des Kondensators ist abhängig von der Plattenfläche A und dem Abstand d der Kondensatorplatten, ε ist in diesem Fall die Dielektrizitätskonstante ε0 des Vakuums (Luft hat eine Dielektrizitätszahl nahe 1)

Eintreffender Schall bringt die Membran zum Schwingen, wodurch sich der Abstand d der beiden Kondensatorfolien und damit auch die Kapazität des Kondensators verändert. Zur Auswertung der Kapazitätsänderung gibt es zwei Varianten:

Niederfrequenz-Schaltung

Um diese Kapazitätsschwankungen in ein elektrisches Spannungssignal umzuwandeln, wird der Kondensator bei der sogenannten Niederfrequenzschaltung über einen hochohmigen Widerststand mit einer Gleichspannung aufgeladen. Der Widerstandswert muss so hoch gewählt werden, dass bei einer Kapazitätsänderung im Rhythmus der unteren Grenzfrequenz (zum Beispiel 20 Hz) die Ladung sich noch nicht ändert, sodass sich die Spannung am Kondensator mit den Schallschwingungen ändert. Es ergeben sich je nach Kapselkapazität Widerstandswerte von bis zu etwa 1GΩ.
Ein Verstärker (Impedanzwandler) mit vergleichbar hoher Eingangsimpedanz verstärkt direkt im Mikrofon die Signalspannung :

mit
UV - Vorspannung
C - Kapselkapazität
und

mit
- Luft- bzw. Vakuum-Dielektrizitätskonstante
- durch den Schall verursachte Abstandsänderung der Kondensatorfolie

Zu erkennen ist, dass die Signalspannung nicht linear von der Abstandsänderung abhängt (jene steht im Nenner!), daher verursachen Kondensatormikrofone mit kleinem Folienabstand bei großen Schalldrücken nichtlineare Verzerrungen. Abhilfe bietet ein größerer Folienabstand, der jedoch bei gleicher Fläche zu einer geringeren Signalspannung führt. Die Signalspannung kann durch Erhöhen der Vorspannung vergrößert werden.

Um elektromagnetische Einstreuungen im Mikrofonkabel auszuschließen, wird oft noch eine Signalsymmetrierung durch einen Übertrager oder durch eine elektrische Symmetrierstufe mit Transistoren vorgenommen.

Eine dem NF-Kondensatormikrofon nah verwandte Bauart ist das Elektret-Kondensatormikrofon. Hier ist die Kondensatorladung in einer Beschichtung mit Elektretfolie „eingefroren“; eine Kapselvorspannung wird nicht benötigt. Jedoch braucht auch dieses Mikrofon eine Spannungsquelle für den notwendigen Impedanzwandler.

Hochfrequenz-Schaltung

Bei dieser Bauart, dem HF-Kondensatormikrofon, wird die variable Kapazität zur Verstimmung eines hochfrequenten Schwingkreises benutzt. Dabei entsteht eine frequenzmodulierte Hochfrequenz, die noch im Mikrofon demoduliert wird. HF-Kondensatormikrofone sind weniger empfindlich gegenüber elektrischen Einstreuungen und Luftfeuchtigkeit, da sie keine hochohmige Vorspannungseinspeisung und keinen Impedanzwandler benötigen.

Akustische Eigenschaften

Da die Membranauslenkung und nicht die Membrangeschwindigkeit zum Signal führt, ist das Kondensatormikrofon technisch betrachtet ein Elongationsempfänger.
Die sehr geringe Masse der Membran ermöglicht eine besonders präzise Abbildung des Schalls, was bei diesem Mikrofontyp in einem guten Impulsverhalten sowie in brillanten Höhen resultiert. Kondensatormikrofone sind sowohl als Druckmikrofon wie auch als Druckgradientenmikrofon erhältlich. Sie kommen in den verschiedensten Erscheinungsformen vor, da mit diesem Begriff nur das Wandlerprinzip bezeichnet wird. Der Begriff hat sich aber im Umgang als Mikrofon-Klasse etabliert, da klangliche Eigenschaften mit dem Prinzip der Wandlung eng verknüpft sind.

Manche Kondensatormikrofone haben eine umschaltbare Richtcharakteristik. Ermöglicht wird dies durch die Kombination zweier Druckgradientenmikrofone (Doppelmembranmikrofon). Die Membranen stehen dabei „Rücken an Rücken“, mit gemeinsamer Gegenelektrode, wobei Betrag der Membranladung und Polung der Signalspannungen einzeln einstellbar sind. Durch Addition der beiden Teilsignale ergeben sich unterschiedliche Richtwirkungen [1] [2].

Spannungsversorgung

Kondensatormikrofone benötigen immer eine Spannungsversorgung, nicht nur für das Potentialgefälle zwischen den Kondensatorplatten, sondern auch für den eingebauten Impedanzwandler (Mikrofonverstärker).

Tonaderspeisung

Hauptartikel: Tonaderspeisung

Die Tonaderspeisung benutzt bei symmetrischer Signalübertragung die beiden Signalleitungen zwischen Mischpult und Mikrofon für je einen Pol der Betriebs-Gleichspannung. Üblich sind ± 12 Volt. Die Tonaderspeisung verursacht Störungen anderer daran angeschlossener (zum Beispiel dynamischer) Mikrofone und ist daher heute nicht mehr üblich.

Phantomspeisung

Hauptartikel: Phantomspeisung

Auch hierbei wird das Mikrofon vom Mikrofonvorverstärker bzw. Mischpult aus versorgt. Diese Methode kommt wie auch die Tonaderspeisung ohne zusätzliche Anschlüsse aus, da die Speisespannung über das Mikrofonkabel selbst transportiert wird [3]. Der Unterschied zur Tonaderspeisung besteht darin, dass ein Betriebsspannungs-Pol die beiden Signalleitungen der symmetrischen Signalübertragung benutzt, der andere benutzt die Masse (den Schirm). Üblich sind 12, 24 und 48 Volt. Andere am Mischpult angeschlossene Mikrofone (zum Beispiel dynamische Mikrofone) funktionieren auch dann, wenn die Phantomspannung nicht abgeschaltet wird.

Bei unsymmetrischer Signalübertragung (zum Beispiel an einem Computer-Mikrofoneingang) liegt oft an der Signalleitung über einen Vorwiderstand ebenfalls eine kleine Speisespannung an, die von Elektret-Mikrofonen benötigt wird und durch andere Mikrofone kurzgeschlossen wird.

Batteriespeisung

Im nicht- oder semiprofessionellen Bereich, etwa bei Verwendung unsymmetrischer Eingänge eines mobilen Recorders, muss zur Spannungsversorgung ein (meist batteriebetriebenes) Speiseteil in die Mikrofonleitung geschaltet werden, sofern das Kondensatormikrofon nicht selbst ein solches Speiseteil im Griffstück integriert hat. Dabei wird die Vorspannung mit einem Spannungswandler aus den 1,5 Volt einer handelsüblichen Batterie gewonnen. Die Qualität der so gewonnenen Gleichspannung wirkt sich direkt auf die Mikrofonsignalqualität aus. Da der Leistungsbedarf eines Kondensatormikrofons sehr gering ist, hält eine Batterie viele Stunden vor.

Elektret-Mikrofone benötigen keine Vorspannung, hier dient die Batterie nur der Speisung des Impedanzwandlers.

Netzanschluss

Ältere Kondensatormikrofone (siehe Bild) besitzen einen Röhren-Vorverstärker und zusätzlich zum Signalkabel einen Netzanschluss. Ein Netztransformator im Mikrofongehäuse versorgt den Heizkreis der Röhre und erzeugt die Anoden- und die Vorspannung.

Klein- und Großmembrankondensatormikrofon

Kleinmembranmikrofon

Als Kleinmembranmikrofon gelten nach branchenüblicher Bezeichnung all jene Mikrofone, deren Mikrofonkapsel einen Membrandurchmesser von kleiner als 1 Zoll, entsprechend 2,54 cm aufweisen. Typisch bei Kondensatormikrofonen sind Durchmesser von 1/2 Zoll (1,3 cm) und 1/4 Zoll (0,64 cm).

Der Kapseldurchmesser beeinflusst maßgeblich den Klang und bestimmt damit den Anwendungszweck des Mikrofons mit. Je kleiner der Kapseldurchmesser ist, desto höhere Frequenzen können gemäß ihrer Einfallsrichtung und Schallstärke korrekt aufgenommen und übertragen werden, da sich das Mikrofon dem punktförmigen Ideal annähert, wenn der Membrandurchmesser unterhalb der halben Wellenlänge der höchsten hörbaren Schallfrequenzen liegt (Wellenlänge bei 20 kHz ca. 16 mm).

Kleinmembranmikrofone haben daher einen recht gleichförmigen Verlauf der Empfindlichkeit in Abhängigkeit des Schalleinfallswinkels und übertragen bis weit über 15 kHz einigermaßen linear. Dagegen kommt es bei Großmembranmikrofonen, z. B. zu ausgeprägten Partialschwingungen und Wechselwirkungen der Membran mit kurzen Schallwellen, so dass im oberen Frequenzbereich ab etwa 10 kHz ein oft ungleichförmiger Frequenzverlauf entsteht. Mitverantwortlich sind hierbei auch die Größe und Geometrie des gesamten Mikrofons. Kleinmembranmikrofone sind ein geringes Hindernis im Schallfeld und verändern es weniger, was z. B. auch in Stereo-Mikrofonanordnungen sehr zum Tragen kommt, wenn zwei Mikrofone nebeneinander platziert werden müssen.

Grundsätzlich gilt: Je kleiner die Kapsel, desto neutraler und präziser ist das Klangbild. Daher werden bei Musikproduktionen und Übertragungen, bei denen es auf klangliche Authentizität ankommt, nahezu ausschließlich Kleinmembranmikrofone eingesetzt.

Andererseits verliert man bei kleineren Kapseln an Kondensatorfläche, wodurch die Empfindlichkeit, also das Vermögen, einen bestimmten Schalldruck in eine möglichst große Spannung umzuwandeln, sinkt. Mit einem nachgeschalteten Verstärker mit bestimmtem Grundrauschen verschlechtert sich dadurch der Rauschabstand.

Durch die Bauart weisen Kleinmembranmikrofone auch eine oft benötigte gute Rückwärtsdämpfung, also Abschattung von hinten kommender Schallwellen auf. Typische Rückwärts-Dämpfungswerte sind bis zu 35 dB für Nieren-Kleinmembranmikrofone, während nur bis zu maximal 20 dB Dämpfung von hinten für Großmembranen üblich sind.

Großmembranmikrofon

Bei Kondensatormikrofonen ist es bis zum heutigen Tag in der Branche üblich, alle Kapseln mit Membrandurchmessern von größer oder gleich 1 Zoll = 2,54 cm als Großmembranmikrofon zu bezeichnen. Manche Hersteller nehmen diese historisch gewachsene Grenze nicht so ernst und benennen auch Membranen mit nur 0,75 Zoll = 1,9 cm Durchmesser als Großmembran-Mikrofon. Die Baugröße wird auch heute von vielen Anwendern mit hoher Qualität assoziiert, obwohl das Verstärkerrauschen heute kaum noch ein Problem darstellt.

Der Klang wird durch den Kapseldurchmesser und seine Störungen im Schallfeld maßgeblich beeinflusst und damit der Anwendungszweck des Mikrofons mitbestimmt. Je größer der Kapseldurchmesser wird, desto stärker können höhere Frequenzen beeinflusst werden, da ab einem Membrandurchmesser von etwa 20 mm bereits Interferenzen und somit ein richtungsabhängiger Frequenzgang auftreten kann.

Ein weiteres typisches Merkmal von Großmembranmikrofonen ist es, dass sie für das Schallfeld ein großes mechanisches Hindernis darstellen und durch die Platzierung eines dermaßen großen Fremdkörpers die Schallsituation in unmittelbarer Umgebung des Mikrofons stark verzerrt wird. Einfluss nimmt hier auch das oft großvolumig gestaltete Gehäuse bei Großmembranmikrofonen.

Da die Richtcharakteristik aufgrund der großen Abmessungen sehr frequenzabhängig und auch weniger gut ausgeprägt ist, entsteht bei diesem Mikrofontyp typischerweise eine deutliche hörbare Klangfärbung, die für jedes einzelne Exemplar charakteristisch ist, während sich Kleinmembranmikrofone untereinander klanglich deutlich ähnlicher sind.

Vergleich zwischen Klein- und Großmembran-Mikrofonen

Großmembranmikrofone besitzen eine typische obere Grenzfrequenz von etwa 12 kHz, während Kleinmembranmikrofone bis zu 40 kHz übertragen können und auch eine bessere Impulstreue besitzen. Moderne Großmembranen bestehen aus extrem dünnen (unter 2 µm) und leichten Materialien und können somit hohe Frequenzen etwas besser wiedergeben als ältere Modelle.

Je kleiner die Mikrofonkapsel, desto neutraler ist das Klangbild. In Aufnahmesituationen werden Großmembranmikrofone daher oft eingesetzt, um bestimmte Instrumente oder Stimmen zu färben, z. B. um Solostimmen, vor allem Gesang, hervorzuheben. Bei Übertragungen hingegen, wo es auf gute Rückwärts-Dämpfungswerte der Mikrofone ankommt, erweisen sich Großmembranmikrofone ebenfalls als unterlegen: Typische Werte der Vor-Rück-Dämpfung für ein Nieren-Großmembranmikrofon sind 20 dB, während bei einem Kleinmembranmikrofon hohe Dämpfungen bis etwa 35 dB erreicht werden.

Der Vorteil größerer Kapseln ist die größere Kondensatorfläche - mit ihr steigt die Grund-Empfindlichkeit des Mikrofons. Bei einem gegebenen Schalldruck erzeugt eine große Kapsel eine Modulationsspannung mit geringerer Quellimpedanz, wodurch bei gleichem Grundrauschen nachfolgender elektrischer Verstärker der Rauschabstand verbessert wird. Damit lassen sich mit Großmembrankapseln grundsätzlich rauschärmere Mikrofone bauen. Einige fernöstliche Anbieter optisch imposante Riesenmikrofone bieten tatsächlich relativ gute Rauschwerte.

kleine Membran große Membran
Eigenrauschen höher niedriger
Empfindlichkeit niedriger höher
Schalldruck-Verkraftung höher geringer
Frequenzbereich breiter enger
Schallfeldeinfluss gering stark
Dynamikbereich höher geringer

Quellen

  1. Michael Dickreiter, Handbuch der Tonstudiotechnik, 6. Auflage 1997, Band 1, Seite 182
  2. Thomas Görne, Mikrofone in Theorie und Praxis, 2. Auflage 1996, Seite 87
  3. Michael Dickreiter, Handbuch der Tonstudiotechnik, 6. Auflage 1997, Band 1, Seite 174

Siehe auch

Phantomspeisung | Übertragungsfaktor