Verstärken Mikrofone Ton und/oder Audio?

Wir haben wahrscheinlich alle schon einmal den Klang eines Mikrofons gehört, das durch Lautsprecher verstärkt wurde. Dies geschieht häufig bei allen Arten von Veranstaltungen und Aufführungen. Ein Sprecher oder Sänger projiziert seine Stimme in ein Mikrofon und seine Stimme wird mit einer viel höheren Lautstärke durch die Lautsprecher gesendet. Wie wird dieses Audio verstärkt?

Verstärkt ein Mikrofon den Ton? Ein Mikrofon ist ein Wandler, der Schall(mechanische Wellenenergie) in Audio(elektrische Energie) umwandelt. Mikrofone verstärken per se keinen Ton, obwohl einige Mikrofone das Audiosignal von ihren Kapseln verstärken, bevor das Signal ausgegeben wird. Alle Mikrofone benötigen eine zusätzliche Verstärkung über ihre eigene hinaus.

In diesem Artikel werfen wir einen ausführlichen Blick darauf, wie ein Mikrofon sein Signal verstärkt, wenn überhaupt. Wir werden uns auch typische Verstärkungsstufen ansehen, um ein Mikrofonsignal zu bekommen, um Ton von einem Lautsprecher zu erzeugen.

Unterschied zwischen Ton und Ton

Bevor wir uns mit diesem Artikel befassen, wollen wir den Unterschied zwischen Sound und Audio besprechen.

Was ist der Ton? Schall ist eine Schwingung, die innerhalb eines Mediums oszilliert und den Druck entlang einer Welle innerhalb dieses Mediums(Gas, Flüssigkeit oder Feststoff) ändert. Es ist eine Form mechanischer Wellenenergie. Hörbare Schallwellen haben Frequenzen im Bereich von 20 Hz bis 20.000 Hz.

Was ist Audio? Audio ist die elektrische Darstellung von Ton. Analoges Audio ist Ton, der als Wechselspannung dargestellt wird, während digitales Audio Ton ist, der in Binärzahlen(Abtastrate und Bittiefe) dargestellt wird. Ton kann über Mikrofone in Ton umgewandelt werden, und Ton kann über Lautsprecher in Ton umgewandelt werden.

Mikrofone wandeln Schall in Audio um

Wie eingangs erwähnt, sind Mikrofone Wandler, die Schall in Audio umwandeln.

Unabhängig vom Mikrofontyp besteht die Funktion eines Mikrofons darin, Schallwellen an seiner Membran aufzunehmen und ein passendes Audiosignal zu erzeugen.

Mikrofone haben Membranen, das sind dünne, bewegliche Membranen in der Mikrofonkapsel. Diese Membranen sind sehr empfindlich und reagieren auf wechselnden Druck auf ihren Oberflächen. Dieser sich ändernde Druck wird hauptsächlich durch Schallwellen verursacht.

Wenn sich die Membran bewegt, wird eine passende Wechselspannung erzeugt. Diese Wechselspannung ist im Wesentlichen das Mikrofonsignal. Dynamische Mikrofone(sowohl Schwingspulen als auch dynamische) erzeugen dieses Signal durch elektromagnetische Induktion, während Kondensatormikrofone Audio durch elektrostatische Prinzipien erzeugen.

Je nach Art und Ausführung des Mikrofons wird dieses Signal durch weitere Komponenten weiterverarbeitet, bevor es vom Mikrofon ausgegeben wird.

Wie verstärken Mikrofone Audio?

Lassen Sie mich mit der Beantwortung dieser Frage beginnen, indem ich feststelle, dass Mikrofone Mikrofonpegelsignale ausgeben. Mikrofonpegelsignale sind relativ niedrige Wechselspannungen im Bereich von ungefähr 1 bis 100 Millivolt(–60 dBV bis –40 dBV).

Unabhängig davon, ob das Mikrofon eine Verstärkung bereitstellt oder nicht, erfordert ein Mikrofonsignal eine höhere Verstärkung. Mikrofonvorverstärker werden verwendet, um Mikrofonpegelsignale für den Einsatz in professionellen Audiogeräten auf Line-Pegel zu bringen. Leistungsverstärker werden dann verwendet, um die Line-Pegel-Signale zu verstärken, um die Lautsprecher richtig anzutreiben.

Nachdem diese Präambel aus dem Weg geräumt ist, bieten einige Mikrofone eine Verstärkung.

Was ist Verstärkung? Verstärkung ist der Prozess der Erhöhung der Stärke oder Leistung eines Signals. Verstärker können natürliche oder künstliche Geräte sein. Bei Mikrofonen sind diese Verstärker künstlich und konzentrieren sich darauf, das elektrische Signal von den Mikrofonen zu verstärken.

Um dem Begriff „Verstärker“ treu zu bleiben, erwähne ich hier, dass einige Mikrofonkomponenten keine echten Verstärker sind, obwohl sie zur Verstärkung der Signalstärke entwickelt wurden. Im Folgenden werde ich Unterscheidungen treffen.

Anstatt die potenziellen Verstärker aufzulisten, die in einem Mikrofon zu finden sind, schauen wir uns alle Komponenten an, die eine Erhöhung der Signalstärke bewirken:

Sehen wir uns jedes davon genauer an:

Impedanzwandler

Impedanzwandler sind keine echten Verstärker. Vielmehr nehmen sie ein Eingangssignal mit niedrigerem Pegel und verwenden es, um ein Ausgangssignal mit höherem Pegel zu modulieren.

Impedanzwandler sind notwendige Komponenten, die unmittelbar nach den Kapseln von Kondensatormikrofonkapseln zu finden sind. Kondensatorkapseln geben Signale mit unglaublich hohen Impedanzwerten aus. Damit diese Signale ohne signifikante Verschlechterung übertragen werden können, ist es entscheidend, dass sie einen Impedanzwandler durchlaufen.

Der Impedanzwandler eines Mikrofons ist im Wesentlichen ein Feldeffekttransistor(FET). Der vielleicht gebräuchlichste FET-Typ in Mikrofonen ist der Junction-Gate-Feldeffekttransistor(JFET).

• G: Tür.
• S: Quelle.
• D: ablassen.

Mikrofon-Impedanzwandler erhalten das niederpegelige, hochohmige Signal der Mikrofonkapsel an ihrem Gate.

Dieses AC-Gate-Signal wird verwendet, um den Strom(und die Spannung) zwischen Source und Drain zu modulieren.

Wir können uns den FET-Impedanzwandler mit einem Eingang(Gate) und einem Ausgang(Source-Drain) vorstellen. Das Eingangssignal hat einen niedrigen Pegel und eine hohe Impedanz und treibt ein stärkeres Ausgangssignal mit niedrigerer Impedanz.

Auf diese Weise fungiert der Impedanzwandler als „Verstärker“ des Mikrofonsignals(obwohl er kein echter Verstärker ist).

leere Röhre

Vakuumröhren sind keine echten Verstärker. Vielmehr nehmen sie ein Eingangssignal mit niedrigerem Pegel und verwenden es, um ein Ausgangssignal mit höherem Pegel zu modulieren.

Bevor die Transistortechnologie zu Mikrofonen kam(in den 1960er Jahren), waren Vakuumröhren erforderlich, um die Impedanz des Mikrofonsignals umzuwandeln und die Signalstärke zu erhöhen.

Vakuumröhren wurden und werden immer noch in Mikrofonen und insbesondere Kondensatormikrofonen verwendet. Sie werden unmittelbar nach den Kapseln dieser Mikrofone platziert, um die Impedanz des Signals zu verringern und das Signal zu verstärken.

Ein zusätzlicher Vorteil von Vakuumröhren ist der berühmte «Röhrenklang», der von vielen Audiophilen, Musikern und Toningenieuren geschätzt wird.

• H: Heizung.
• K: Kathode.
• A: Anode.
• G: Gitter

Grundsätzlich funktioniert eine Vakuumröhre wie folgt: Eine Kathode wird erhitzt(direkt oder indirekt durch eine Heizung). Wenn sich die Kathode erwärmt, gibt sie Elektronen ab, die von der positiv geladenen Anodenplatte angezogen werden.

Daher wird durch Erhitzen der Vakuumröhre ein elektrischer Strom innerhalb der Röhre erzeugt und fließt aus der Röhre heraus.

Das Signal von der Mikrofonkapsel wird an das Gitter der Triodenröhre gesendet und steuert den Elektronenfluss von der Kathode zur Anode.

Das Gitter nimmt das hochohmige Signal mit niedrigem Pegel von der Kapsel an und verwendet es, um den stärkeren Strom mit niedrigerer Impedanz zwischen Anode und Kathode zu modulieren.

Wenn wir in Bezug auf die Ein-/Ausgänge an eine Mikrofon-Triodenröhre denken, entwickeln wir Folgendes:

Das Gitter ist der Eingang, der das Signal von der Kapsel empfängt.

Die Kathodenanode ist der Ausgang, der ein stärkeres Signal ausgibt, das dem Eingangssignal im Netzwerk entspricht.

Die Trioden-Vakuumröhre fungiert also als «Verstärker» des Mikrofonsignals(obwohl es kein echter Verstärker ist).

Aufwärtstransformator

Aufwärtstransformatoren sind keine echten Verstärker. Vielmehr handelt es sich um passive Geräte, die ein Eingangssignal mit niedrigerem Pegel nehmen und es verwenden, um ein Ausgangssignal mit höherem Pegel zu modulieren.

Aufwärtstransformatoren sind typischerweise an den Ausgängen dynamischer Mikrofone zu finden.

Durch die Prinzipien der elektromagnetischen Induktion nimmt der Step-up-Transformator die Wechselspannung in einem Stromkreis auf und bewirkt eine „verstärkte“ oder erhöhte Wechselspannung in einem Sekundärkreis. Beide Stromkreise sind unabhängig und teilen sich nur den gemeinsamen Transformator.

Transformatoren haben den zusätzlichen Vorteil, dass sie Gleichspannung blockieren.

• MC: Magnetkern.
• P: Primärwicklung.
• S: Sekundärwicklung.

Ein Aufwärtstransformator besteht aus einem zentralen Magnetkern und zwei leitfähigen Wicklungen, die als Primär- und Sekundärwicklungen bekannt sind.

Die Primärwicklung ist Teil des Stromkreises, der das umgewandelte Audiosignal von der Membran überträgt. Da die Wicklung um den Magnetkern gewickelt ist, verursacht jede durch sie hindurchgehende Wechselspannung(Mikrofonsignal) einen sich ändernden Magnetfluss innerhalb des Kerns. Dies liegt an der elektromagnetischen Induktion.

Da der magnetische Fluss im Magnetkern variiert, bewirkt die elektromagnetische Induktion, dass eine Wechselspannung über der Sekundärwicklung erzeugt wird, die sich auch um den Kern wickelt.

Die Primärwicklung ist also Teil der Schaltung, die das Mikrofonsignal von der Mikrofonkapsel überträgt. Diese Wechselspannung verursacht einen variierenden Magnetfluss im Magnetkern, der wiederum eine Spannung über der Sekundärwicklung induziert. Die Sekundärwicklung schließt einen Stromkreis mit dem Mikrofonausgang.

Das Windungsverhältnis in den Spulen ist gleich dem Spannungsverhältnis in den Spulen. Ein Aufwärtstransformator hat weniger Windungen in der Primärspule als in der Sekundärspule.

Als einfaches Beispiel: Wenn die Primärspule die Hälfte der Windungszahl der Sekundärspule hat, ist die Spannung über der Sekundärspule doppelt so hoch wie die der Primärspule.

Wenn wir uns einen Aufwärtstransformator ansehen, können wir uns die Primärwicklung als Eingang und die Sekundärwicklung als Ausgang vorstellen. Allerdings fungiert der Transformator nur als «Verstärker», obwohl er kein echter Verstärker ist.

Leiterplatte

Leiterplatten(PCBs) können echte Verstärker enthalten, die die Verstärkung eines Eingangssignals tatsächlich erhöhen und ein stärkeres Ausgangssignal erzeugen.

Typische Verstärkungsstufen von Mikrofonen zu Lautsprechern

Ob Pseudoverstärkung oder echte Verstärkung, Mikrofone verstärken ihre Signale nur wenig. Am Ausgang eines beliebigen Mikrofons liegt das Signal immer noch auf Mikrofonpegel.

Damit dieses relativ schwache Signal die Lautsprecherkegel bewegen und gehört werden kann, brauchen wir mehr Verstärkung über das Mikrofon hinaus.

Um diese Ebenen mit Werten zu vereinfachen, habe ich die folgende Tabelle bereitgestellt:

	Low-End-Signalstärke	High-End-Signalstärke
Mikrofonpegel	-60 dBV(1 Millivolt)	-20 dBV(100 Millivolt)
Leitungsebene	-10 dBV(316 Millivolt) Nominal(Verbraucher)	+4 dBu = 1,78 dBV(1,23 Millivolt) Nominal(professionell)

Der Lautsprecherpegel hat viel mehr Spannung als der Line-Pegel, hängt jedoch stark von der Impedanz und Größe des Lautsprechers ab, den Sie ansteuern.

Schauen wir uns nun einige typische Verstärkungsstufen an, um das Mikrofonsignal auf Lautsprecherpegel zu bringen:

In den folgenden Beispielen werde ich die Geräte, die das Signal verstärken, fett darstellen.

1. Mikrofon
2. Aktiver Lautsprecher(Mikrofoneingang)

1. Mikrofon
2. Mikrofonvorverstärker(Mikrofoneingang)
3. Mischpult oder Interface
4. Leistungsverstärker(Line-Eingang)
5. passiver Lautsprecher

1. Mikrofon
2. Mikrofonvorverstärker(Mikrofoneingang)
3. Mischpult oder Interface
4. Aktivlautsprecher(Line-Eingang)

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