Grundlagen: Mikrofone

Mikrofone gibt es in vielen verschiedenen Ausführungen und Bauformen. Jedes Mikrofon hat bestimmte charakteristische Eigenschaften, nach denen es ausgewählt wird. Hier erfährst du alles, was du über Mikrofone wissen musst.

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Mikrofone werden im Tonstudio und auf der Bühne benötigt, um Schallsignale in elektrische Signale zu verwandeln

Mikrofon: Funktionsweise

Bei einem Mikrofon handelt es sich um einen Schallwandler, der ein Schallsignal in ein elektrisches Signal verwandelt. Es ist das Gegenstück zu einem Lautsprecher, der eine elektrische Schwingungsfolge wieder in Schall umsetzt.

Dazu besitzt jedes Mikrofon eine Membran, die durch die Schwingungen der Luftmoleküle rund um eine Schallquelle ihrerseits zu einer äquivalenten Schwingung angeregt wird.

Die Umsetzung der Membranschwingung in eine elektrische Spannungsänderung unterscheidet sich je nach Bauweise des Mikrofons. Wir unterscheiden dabei dynamische Schallwandler und Kondensatormikrofone. 

Dynamische Mikrofone

Dynamische Mikrofone arbeiten nach dem Induktionsprinzip. Bei Tauchspulenmikrofonen bewegt sich zum Beispiel eine an der Membran befestigte Spule im Luftspalt eines Permanentmagneten. Durch die Bewegung wird in der Spule eine der Membranbewegung äquivalente Spannung erzeugt. Die Spannungsänderung entspricht einer elektrischen Schwingung um einen Nullpunkt herum, die ihrerseits wieder der Membranauslenkung um ihren Ruhepunkt herum entspricht. Auf diese Weise wurde die Schwingung der Luftmoleküle um ihren Ruhepunkt herum in eine Membranschwingung und diese in eine elektrische Schwingung umgewandelt. Tauchspulenmikrofone gelten als sehr robust und werden deshalb häufig als Gesangsmikrofon auf der Bühne eingesetzt. Doch auch im Studio kommen sie häufig vor, zum Beispiel bei der Mikrofonierung von Instrumenten wie Schlaginstrumenten, Blasinstrumenten, Gitarrenverstärker und mehr.

Bändchenmikrofone gehören ebenfalls zu den dynamischen Mikrofonen. Hier ist es allerdings das Bändchen selbst, das zwischen den beiden Polen eines Permanentmagneten schwingt und in dem einen Spannung induziert wird. Das sehr dünne und sehr leichte Bändchen sorgt für ein erstklassiges Impulsverhalten. Bändchenmikrofone sind sehr charakterstark und werden häufig zum Beispiel vor Gitarrenverstärkern eingesetzt. Aber auch für Gesang eignen sie sich sehr gut. Durch das dünne Bändchen sind sie allerdings empfindlicher als Tauchspulenmikrofone und müssen deshalb mit viel Sorgfalt behandelt werden.

 

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Schematischer Aufbau eines Tauchspulenmikrofons

Kondensatormikrofone

Kondensatormikrofone wandeln den Schall nicht durch das Induktionsprinzip, sondern durch die Kapazitätsänderung eines Plattenkondensators. Die sehr dünne Membran stellt dabei eine Platte des Plattenkondensators dar. Durch ihre Schwingung gegenüber der starren Gegenelektrode verändert sich kontinuierlich die Kapazität des Kondensators. Durch eine kleine elektrische Schaltung wird diese Kapazitätsänderung in eine Spannungsänderung überführt. Diese ist allerdings viel geringer als die Ausgangsspannung eines dynamischen Mikrofons und muss deshalb verstärkt werden. Ein Kondensatormikrofon beinhaltet deshalb auch einen Verstärker. Für die Vorladung des Kondensators sowie die Verstärkung wird eine Spannungsversorgung benötigt. Diese wird entweder über eine Batterie oder häufiger per Phantomspeisung zur Verfügung gestellt.

Die Phantomspeisung ist eine Speisespannung, die vom Audio-Interface oder Mikrofonvorverstärker (zum Beispiel im Mischpult) bereitgestellt wird. Sie ist typischerweise mit +48 Volt ausgelegt, kann aber auch erheblich weniger betragen (mindestens 12 Volt). Durch die Aufteilung der Spannung auf die Adern eines Mikrofonkabels mit zwei Adern plus Schirm “sieht” ein dynamisches Mikrofon diese Spannung nicht. Daher der Name Phantomspeisung. Der Vorgänger der Phantomspeisung war übrigens die Tonaderspeisung. Diese wird allerdings heutzutage nicht mehr verwendet. Bändchenmikrofone können durch Phantomspeisung irreparabel beschädigt werden. Schalte diese deshalb immer aus, wenn ein Bändchenmikrofon angeschlossen wird!

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Schematischer Aufbau eines Kondensatormikrofons

Welches Mikrofon wähle ich?

Im Prinzip gibt es keine festen Regeln dazu, welches Mikrofon an welchen Platz gehört. Gerade im Tonstudio wird viel experimentiert und oftmals ergeben sich die interessantesten Klangergebnisse immer dann, wenn man etwas Unorthodoxes macht. Zwar ist ein Kondensatormikrofon im Prinzip durch die sehr dünne und leichte Membran klanglich einem dynamischen Mikrofon wie dem Tauchspulenmikrofon und auch einem Bändchenmikrofon überlegen. Doch oftmals ist es gerade die deutliche Klangfärbung von dynamischen Mikrofonen, die am Ende den Sound ausmacht. Für sehr filigrane Aufnahmen, bei denen es auf die Transienten und jede Feinheit ankommt, wählt man gerne Kondensatormikrofone. An eine Bass Drum hingegen wird man in der Regel ein dynamisches Mikrofon stellen. Einerseits muss das Mikrofon hohe Schalldrücke aushalten können, andererseits ist nicht die Übertragung des kompletten Frequenzspektrums von 20 Hz bis 20 kHz notwendig. Färbung ist auch ausdrücklich erwünscht. Die Becken hingegen liefern sehr hohe Frequenzanteile und Kondensatormikrofone können diese ohne Probleme wiedergeben. Trotzdem ist zum Beispiel das Sennheiser MD441 ein sehr beliebtes Mikrofon, wenn es um die Mikrofonierung von Becken geht – und es ist ein Tauchspulenmikrofon.

In jedes Studio gehört eine Mikrofonsammlung aus verschiedenen Mikrofonen und das Experimentieren damit gehört eindeutig mit zum Studioalltag. Es sind noch nie neue Sounds entstanden, weil man die Regeln nicht gebrochen hat. Ganz im Gegenteil.

Membrangröße

Ein wichtiges Kriterium für die Auswahl eines Mikrofons ist auch dessen Membrangröße. Wir unterscheiden zwischen Kleinmembran-Mikrofonen mit einem Membrandurchmesser kleiner 1 Zoll (< 2,54 cm) und Großmembran-Mikrofonen mit einem Membrandurchmesser größer gleich 1 Zoll (≥ 2,54 cm).

Kleinmembran-Mikrofone sind durch die leichte Membran oft sehr impulstreu und haben einen großen Frequenzumfang, den sie zu übertragen in der Lage sind.  

Großmembran-Mikrofone sieht man oft im Tonstudio und sie gelten als typische Charaktermikrofone. Sie können mit einer einzelnen Membran oder einer Doppelmembran ausgestattet sein. Bei Doppelmembran-Mikrofonen ist eine Umschaltung der Richtcharakteristik möglich, die durch die elektronische Verschaltung beider Membranen erzeugt wird.

Richtcharakteristik

Das Mikrofon als Schallwandler besitzt eine bestimmte Richtcharakteristik. Diese beschreibt, wie gut das Mikrofon aus unterschiedlicher Richtung auftreffenden Schall in eine elektrische Spannungsänderung umsetzt.

Unterschieden wird zwischen Druckempfängern (Kugelcharakteristik), die den Schall aus allen Richtungen nahezu gleich gut umsetzen, und Druckgradientenempfängern, die eine Richtwirkung (Niere, Superniere, Hyperniere etc.) aufweisen.

Bei Druckempfängern sitzt typischerweise die Membran vor einem rückseitig geschlossenen Gehäuse. Schall trifft deshalb immer von vorne auf die Membran. Schall, dessen Wellenlänge größer ist als das Gehäuse mit der Membran, wird um dieses herumgelenkt und trifft dann von vorne auf die Membran. Das bedeutet, dass für Schall, dessen Wellenlänge sehr klein ist (sehr hohe Frequenzen) eine zunehmende Richtwirkung durch Abschattung einsetzt. Eine wirkliche Kugelcharakteristik existiert also nur für tiefere Frequenzen, während ein Druckempfänger auch für höhere Frequenzen richtend wirkt.

Bei Druckgradientenempfängern wird die Membran durch frontseitig und rückseitig auftreffenden Schall ausgelenkt. Das Summe beider Auslenkungen ist der Gradient. Verzögert man nun den rückwärtig oder seitlich eintreffenden Schall entsprechend, löschen sich bestimmte Frequenzen aus, während andere verstärkt werden. Diese Verzögerung geschieht durch ein sogenanntes Laufzeitglied. Das Ergebnis ist eine deutliche Bündelung in Aufsprechrichtung. Je stärker diese Bündelung ist, desto größer kann der Besprechungsabstand des Mikrofons gewählt werden, ohne dass es zu einem deutlichen Pegelabfall am Ausgang des Mikrofons kommt. Typische Richtcharakteristiken sind die Niere, die Superniere (stärkere Bündelung als die Niere) und die Hyperniere (stärkste Bündelung in 0°-Richtung). Richtrohre (Interferenzmikrofone) sind ein Sonderfall, besitzen von allen Mikrofonen die stärkste Bündelung und werden für Interviews oder bei der Aufnahme von Filmton verwendet.

Ebenfalls ein Sonderfall sind Doppelmembran-Mikrofone. Diese besitzen zwei Membranen, deren Schwingungen durch eine elektronische Schaltung in die jeweilige Richtcharakteristik nach der Schallwandlung überführt wird. Typische Richtcharakteristiken von Doppelmembran-Mikrofonen sind die Kugel, Niere und Acht. Bei der Achtercharakteristik findet die Besprechung des Mikrofons von beiden Seiten statt. Mikrofone mit Achtercharakteristik eignen sich sehr gut für Interview-Situationen.

Bei allen Richtcharakteristiken gibt es zudem bestimmte Schalleintrittsrichtungen, die “immun” gegen Schall sind und diesen deutlich schlechter verstärken. Bei Nieren-Mikrofonen ist das zum Beispiel die Rückseite. Bei der Super- und Hypernieren-Charakteristik ist es schräg von Hinten einfallender Schall. Bei der Achtercharakteristik ist es seitlich einfallender Schall. Bei der Mikrofonierung ist es wichtig, diesen Aspekt zu berücksichtigen, um gezielt Störschall bei der Aufnahme auszublenden. Ein Beispiel: Bei der Verwendung eines Gesangsmikrofons mit Nierencharakteristik positioniert man die Monitorbox für den Sänger so, dass diese auf die Rückseite des Mikrofons zielt. Dort ist ein Mikrofon mit Nierencharakteristik am unempfindlichsten für Schall. Bei Mikrofonen mit Super- oder Hypernierencharakteristik ist die unempfindlichste Stelle aber bei 135° bzw. 225°, sodass die Monitorboxen besser dorthin “zielen” sollten, möchte man ein gutes Rückkopplungsverhalten und wenig Übersprechen erreichen.

Wichtig: Die Richtcharakteristik eines Mikrofons ist immer frequenzabhängig. Für sehr tiefe Frequenzen gleicht sie einer Kugel, für zunehmender Frequenz findet eine Bündelung statt. 

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Kugelcharakteristik: Der Schall wird von allen Seiten gleich gut aufgenommen. Zumindest in der Theorie, denn die Richtcharakteristik ist von der Frequenzabhängig und je höher die Frequenz desto mehr Bündelung in Richtung der 0°-Achse findet statt. Tiefe Frequenzen hingegen werden um die Kapsel herum gebeugt.
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Nierencharakteristik: Bei der Nierencharakteristik wird frontaler und seitlicher Schall gut aufgenommen, rückwärtiger Schall hingegen unterdrückt. Für tiefere Frequenzen besteht kaum Richtwirkung.
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Supernierencharakteristik: Mikrofone mit Superniere sind in Hauptaufsprechrichtung (0°) etwas stärker richtend als die mit Nierencharakteristik. Sie besitzen jedoch eine kleine Ausstülpung bei 180°.
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Hypernierencharakteristik: Die Hyperniere ist die am stärksten richtende Nierencharakteristik. Die Ausstülpung bei 180° ist noch etwas ausgeprägter als bei der Superniere.
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Achtercharakteristik: Bei der Achtercharakteristik ergibt sich die Form einer doppelten Niere oder einer Acht. Das Mikrofon ist bei 180° genauso empfindlich wie bei 0°, allerdings ist die Polarität bei 180° invertiert.

Empfindlichkeit

Die Empfindlichkeit eines Mikrofons wird angegeben in Millivolt pro Pascal (mV/Pa) und sagt aus, wieviel Spannung bei einem bestimmten Schalldruck erzeugt wird. Je höher die Empfindlichkeit desto höher die erzeugte Ausgangsspannung. Ein empfindlicheres Mikrofon benötigt weniger Verstärkung am Mikrofonvorverstärker als ein unempfindliches Mikrofon. Bändchenmikrofone haben zum Beispiel in der Regel leine sehr geringe Empfindlichkeit, während Kondensatormikrofone durch ihren integrierten Verstärker eine recht hohe Empfindlichkeit besitzen. Ein Mikrofon mit geringerer Empfindlichkeit eignet sich sehr gut zum Mikrofonieren sehr lauter Schallquellen im Nahbereich, zum Beispiel Trompete oder Snare Drum.

Frequenzgang

Der Frequenzgang eines Mikrofons gibt Auskunft darüber, wie gut die einzelnen Frequenzen, aus denen der eintreffende Schall besteht, vom Mikrofon gewandelt werden. Idealtypisch wäre ein linearer Frequenzgang mit einer 1:1-Umsetzung. Dies ist allerdings so gut wie unmöglich und oft auch gar nicht gewünscht. So besitzt im Prinzip jedes Mikrofon einen abweichenden Frequenzgang. Mal werden die Bässe etwas angehoben, mal die Höhen. Der Frequenzgang ist zudem für verschiedene Besprechungswinkel und -abstände unterschiedlich. Aus diesem Grund wählen Anwender bestimmte Mikrofone für zum Beispiel eine Bass Drum aus und andere Mikrofone für die Aufnahme einer akustischen Gitarre oder eines E-Gitarrenverstärkers.

Eine Besonderheit bei Druckgradientenempfängern ist der Nahbesprechungseffekt. Dabei handelt es sich um eine deutliche Bassanhebung im Nahbereich des Mikrofons. Dieser Effekt wird gerne von Sängern genutzt, um ihre Stimme größer und wuchtiger klingen zu lassen, kann aber auch zu unerwünschten Nebengeräuschen wie Ploppen und Dröhnen führen. Beeinflussen lässt sich dieser Effekt durch eine Vergrößerung oder Verringerung des Besprechungsabstands.

Im Datenblatt des Mikrofons wird häufig der Frequenzgang bei frontaler Besprechung angegeben (0°). Diesen nennt man On-axis Frequenzgang. Interessant ist aber auch der Frequenzgang, der sich ergibt, wenn man das Mikrofon zum Beispiel leicht schräg oder seitlich bespricht. Diesen nennt man Off-axis Frequenzgang. Der Frequenzgang im Bereich von bis zu ±90° sollte sich bei einem guten Mikrofon nicht allzu groß vom on-axis Frequenzgang unterscheiden, ansonsten würden schon kleinste Bewegungen vor dem Mikrofon für deutliche Klangverfärbungen sorgen. Unterscheiden kann er sich aber im resultierenden Pegel. 

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Typischer Frequenzgang eines Mikrofons, hier des sE NEOM USB-Mikrofons

Fazit

Du hast nun einige Grundlagen zu Mikrofonen kennengelernt. Natürlich gibt es noch viele weitere Faktoren, über die ich berichten könnte und über die man häufig in der technischen Spezifikation eines Mikrofons liest. Die hier aufgeführten sind aber diejenigen, die in der Praxis die höchste Relevanz besitzen. Besuch doch einfach mal die Websites bekannter Mikrofonhersteller wie Sennheiser, Neumann, Shure, Audix, AKG, Audio Technica, SE Electronics, DPA und anderer und schau dir die Datenblätter verschiedener Mikrofone an und vergleich sie.

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