Wie funktionieren die Mikrofone? (Der ultimative illustrierte Leitfaden)
Wir denken nicht oft darüber nach, wie Mikrofone funktionieren. Mikrofone sind Teil unseres täglichen Lebens und werden irgendwie als selbstverständlich angesehen, daher bin ich froh, dass Sie gefragt haben, wie sie funktionieren.
Wie funktionieren die Mikrofone? Mikrofone fungieren als Wandler und wandeln Schallwellen(mechanische Wellenenergie) in Mikrofon-/Audiosignale(elektrische Energie) um. Obwohl es in verschiedenen Mikrofonen verschiedene Möglichkeiten zur Leistungsumwandlung gibt, verwenden sie alle eine Membran, die auf Schall reagiert und die Umwandlung in ein Mikrofonsignal ermöglicht.
In dieser hilfreichen illustrierten Anleitung werfen wir einen detaillierten Blick auf das Innenleben von Mikrofonen und beschreiben, wie alle gängigen Mikrofontypen funktionieren, um Ton in Audio umzuwandeln.
Was ist ein Wandler?
Was ist ein Wandler? Ein Wandler ist ein Gerät, das eine Energieform in eine andere Energieform umwandelt.
Mikrofone fungieren als Wandler und wandeln mechanische Wellenenergie in elektrische Energie um. Vereinfacht gesagt wandeln Mikrofone Schallwellen in Audiosignale um.
Das Mikrofon als Wandler
Die Membran eines Mikrofons reagiert auf die Schallwellen, denen sie ausgesetzt ist. Da sich die Membran entsprechend unterschiedlichen Schalldruckpegeln bewegt, erzeugt das Mikrofon ein passendes Mikrofonsignal.
Bevor wir uns mit der Mechanik der Energieumwandlung eines Mikrofons befassen, wollen wir die betreffenden Energien besser definieren.
Mechanische Wellenenergie(Schallwellen)
Was ist mechanische Wellenenergie? Die Energie mechanischer Wellen ist die Energie, die von einer mechanischen Welle transportiert wird(eine Schwingung von Materie in einem Medium). Mechanische Wellen und damit die Energie mechanischer Wellen können nur in elastischen und trägen Medien(Gas, Flüssigkeit, Feststoff) übertragen werden.
Was ist eine Schallwelle? Eine Schallwelle ist eine Art mechanischer Welle, die durch das Störungsmuster von Partikeln in einem elastischen Medium definiert wird. Die durch Schallwellen verursachten Schwingungen von Partikelstörungen werden im Bereich von 20 Hz bis 20.000 Hz definiert.
Die Stärke einer Schallwelle wird normalerweise in Schalldruckpegel(dB SPL) oder Pascal(Pa) gemessen.
Hörbare Schallwellen treten im Frequenzbereich von 20 Hz bis 20.000 Hz auf, nicht hörbarer Infraschall tritt unter 20 Hz auf, während nicht hörbarer Ultraschall über 20.000 Hz auftritt.
Wenn ich „unhörbar“ sage, meine ich unhörbar für Menschen.
Elektrische Energie(Audiosignale)
Was ist elektrische Energie? „Elektrische Energie“ ist definiert als elektrische potentielle Energie. Es wird durch elektrischen Strom und elektrisches Potential(Spannung) gespeist und über Stromkreise geliefert. In der heutigen Zeit wird elektrische Energie gesammelt und fast immer in eine andere Energieform(Wärme, Bewegung, Licht usw.) umgewandelt.
Was ist ein Audiosignal? Ein Audiosignal ist ein elektrisches Signal, das Schall in Form von elektrischer Energie darstellt. Analoge Audiosignale werden als Wechselspannungen in Millivolt(RMS) oder Dezibel relativ zur Spannung(dBV oder dbu) gemessen.
Mikrofonwandler
Die Mikrofone wandeln also die mechanische Energie in elektrische Energie um.
Die Art und Weise, wie sie dies tun, variiert von einem Mikrofontyp zum anderen. Wir werden in diesem Artikel besprechen, wie die einzelnen Arten von Mikrofonen funktionieren.
Arten von Mikrofonwandlern
Es gibt viele Arten von Mikrofonen mit vielen Faktoren, um sie zu unterscheiden. Wenn es jedoch um den Wandlertyp geht, gibt es zwei Haupttypen von Mikrofonen:
- Dynamische Mikrofonwandler.
- Wandler für Kondensatormikrofone.
Der Typ des dynamischen Mikrofonwandlers
Wenn wir den Begriff „dynamisches Mikrofon“ verwenden, meinen wir normalerweise ein dynamisches Mikrofon mit beweglicher Spule.
Der dynamische Wandlertyp umfasst jedoch Bändchen- und Tauchspulenmikrofone.
Was ist der Typ eines dynamischen Mikrofonwandlers? Dynamische Mikrofone wandeln Schallwellen mittels elektromagnetischer Induktion in Audiosignale um. Sowohl Tauchspulen- als auch Bändchenmikrofone haben leitfähige Membranen, die in permanenten Magnetfeldern schwingen. Wenn sich die Membran aufgrund des sich ändernden Schalldrucks bewegt, wird ein Mikrofonsignal induziert.
Im obigen Diagramm treffen Schallwellen auf die Membran des dynamischen Mikrofons Shure SM57 mit beweglicher Spule. Das SM57 wandelt die Bewegung seiner Membran in elektrische Energie um, die schließlich als Mikrofonsignal ausgegeben wird.
Die Membran bewegt sich entsprechend dem Druck, der durch Schallwellen(mechanische Energie) ausgeübt wird. An der Membran ist eine leitende Spule befestigt, die sich zusammen mit der Membran bewegt(daher der Name dynamisches Mikrofon mit beweglicher Spule).
Beachten Sie, dass die Membran selbst nicht leitfähig ist.
In der Mikrofonkapsel(Kapsel) befinden sich Magnete, die ein permanentes Magnetfeld erzeugen. Die Spule passt in einen zylindrischen Schlitz innerhalb der Magnete, sodass sie die Magnete nicht berührt, aber stark vom Magnetfeld beeinflusst wird.
Die magnetische Induktion besagt, dass die leitende Spule, wenn sie sich in einem permanenten Magnetfeld bewegt, eine Änderung des Magnetflusses erfährt. Ein sich ändernder magnetischer Fluss in der leitenden Spule induziert eine Spannung darüber.
Wenn sich die Membran im Gleichgewicht mit den Schallwellen hin und her bewegt, bewegt sich auch die Antriebsspule. Dies induziert eine positive Spannungsänderung in einer Richtung und eine negative Spannungsänderung in der anderen Richtung. Dies erzeugt ein elektrisches Wechselstromsignal durch die Spule.
Dieses Wechselstromsignal wird häufig durch einen Aufwärtstransformator im Mikrofon geleitet und als Audiosignal des Mikrofons ausgegeben.
Im obigen Diagramm treffen Schallwellen auf die Membran des dynamischen Bändchenmikrofons AEA R84. Der R84 wandelt die Bewegung seiner Membran in elektrische Energie um, die schließlich als Mikrofonsignal ausgegeben wird.
Die bandförmige Membran(daher der Name dynamisches Bändchenmikrofon) bewegt sich entsprechend dem Druck, der durch Schallwellen(mechanische Energie) ausgeübt wird.
Bandmembranen bestehen aus leitfähigem Material(häufig gewelltes Aluminium) und sind in einer magnetischen Schallwand angeordnet, die ein permanentes Magnetfeld liefert.
Die magnetische Induktion besagt, dass die Membran aus leitfähigem Band, wenn sie sich in einem permanenten Magnetfeld bewegt, eine Änderung des Magnetflusses erfährt. Ein sich ändernder magnetischer Fluss in der Bandmembran induziert eine Spannung darüber.
Wenn sich die Membran im Gleichgewicht mit den Schallwellen hin und her bewegt, wird eine Wechselspannung darüber induziert.
Dieses Wechselstromsignal wird häufig durch einen Aufwärtstransformator im Mikrofon geleitet und als Audiosignal des Mikrofons ausgegeben.
Der Typ des Kondensatormikrofonwandlers
Was ist die Art von Kondensatormikrofonwandler? Kondensatormikrofone wandeln Schallwellen in Audiosignale mit einer beweglichen Membran um, die wie eine Platte in einem Parallelplattenkondensator mit fester Ladung wirkt. Wenn sich die Membran bewegt, ändert sich der Abstand zwischen den Platten, wodurch sich die Kapazität ändert und ein umgekehrt proportionales Mikrofonsignal erzeugt wird.
Im obigen Diagramm treffen Schallwellen auf die Membran des Kondensatormikrofons Neumann KM 184. Das KM 184 wandelt die Bewegung seiner Membran in elektrische Energie um, die schließlich als Mikrofonsignal abgegeben wird.
Die Kondensatormembran fungiert als Frontplatte in einer Art Parallelplattenkondensator(Kondensatoren wurden früher Kondensatoren genannt).
Beachten Sie, dass manche Leute Kondensatormikrofone als Kondensatormikrofone bezeichnen.
Das Parallelplatten-Kondensatormikrofon erfordert eine feste Ladung, damit das Kondensatormikrofon ordnungsgemäß funktioniert. Diese wird oft dauerhaft durch Elektretmaterial(Elektretkondensatoren) oder extern über Gleichstrom(Phantomspeisung, DC-Bias etc.) bereitgestellt.
Da der unterschiedliche Schalldruck die Membran hin und her bewegt, ändert sich der Abstand zwischen den parallelen Platten. Dies verursacht eine gleichzeitige Kapazitätsschwankung.
Bei einem Kondensator mit fester Ladung bewirkt eine Änderung der Kapazität eine umgekehrt proportionale Änderung der Spannung am Kondensator.
Wenn sich die Membran um die Unruh hin- und herbewegt, wird daher eine Wechselspannung über den Platten erzeugt.
Diese Wechselspannung wird dem Kondensator entnommen und durch einen Impedanzwandler/Verstärker(Transistor oder Vakuumröhre) geleitet. Nach einigen weiteren Schaltungen wird dieses elektrische Signal als Audiosignal vom Mikrofon ausgegeben.
Wie funktionieren flüssige Mikrofonwandler?
Wie funktionieren flüssige Mikrofonwandler? Flüssigkeitsmikrofone funktionieren wie ein Becher, der mit einer leitfähigen Flüssigkeit(Wasser und Schwefelsäure) gefüllt ist. Eine Membran reagiert auf Schallwellen, wodurch eine daran befestigte Nadel in der leitenden Flüssigkeit entsprechend vibriert. Dies verursacht zufällige Schwankungen im Widerstand des Stromkreises, was ein «Audiosignal» verursacht.
Wie funktionieren Kohlemikrofonwandler?
Wie funktionieren Kohlemikrofonwandler? Das Kohlemikrofon funktioniert als Kapsel mit Kohlegranulat, das zwischen zwei Metallplatten(Membran und Rückplatte) gepresst wird. Eine Spannung über den Platten erzeugt Strom durch das Granulat. Wenn sich die Membran bewegt, verändert sie den Druck und den Widerstand des Granulats, wodurch ein elektrisches Mikrofonsignal schlechter Qualität entsteht.
Wie beim Kondensatormikrofon werden die beiden elektrischen Leitungen des Kohlemikrofons von jeder der Platten abgenommen.
Wie funktionieren Kontaktmikrofone/piezoelektrische Wandler?
Wie funktionieren Kontakt-/Piezomikrofon-Mikrofonwandler? Piezoelektrische/Kontaktmikrofone arbeiten mit piezoelektrischen Materialien(bekannt als Kristalle), die Wechselspannungen(Mikrofonsignale) erzeugen, wenn sie unterschiedlichem Druck ausgesetzt werden. Die Kristalle erzeugen hochohmige Mikrofonsignale, die zu den sie umgebenden Schallwellen passen.
Wie funktionieren MEMS-Mikrofonwandler?
Wie funktionieren MEMS-Mikrofonwandler? MEMS-Mikrofone(MicroElectrical-Mechanical System) arbeiten mit einer Membran und einer festen Rückplatte über einem Hohlraum in einer Grundplatte. Die gesamte „Kapsel“ eines MEMS-Mikrofons wird mittels MEMS-Prozessierung auf einen Siliziumwafer geätzt. MEMS-Mikrofone haben eingebaute Vorverstärker und Analog-Digital-Wandler und einen digitalen Audioausgang.
Wie funktionieren Lasermikrofonwandler?
Was ist ein Lasermikrofonwandler? Lasermikrofone arbeiten mit Laserstrahlen, um Schallschwingungen auf Objekten und Oberflächen zu erkennen. Der Laserstrahl wird auf eine Oberfläche gerichtet und von der Oberfläche reflektiert, wobei er zu einem Empfänger zurückkehrt, der den Strahl interferometrisch in ein Audiosignal umwandelt.
Membran und Kapsel: Schlüsselkomponenten von Mikrofonwandlern
Die Schlüsselkomponente von Mikrofonwandlern ist die Membran.
Bei der überwiegenden Mehrheit der Mikrofone ist die Membran ein offensichtlicher Teil des Designs. Aber auch der obige Lasermikrofon-Empfänger/Sensor wird als Membran betrachtet.
Die Membran des Mikrofons bewegt sich entsprechend dem variierenden Schalldruck um sie herum. Das Zwerchfell verursacht direkt oder indirekt die Erzeugung eines elektrischen Signals, das mit seiner Bewegung zusammenfällt.
Membranen gibt es in einer Vielzahl von Materialien, Formen, Gewichten, Spannungen und Größen.
Die Membran ist an dem Mikrofongehäuse befestigt und arbeitet darin. Je nach Art des Mikrofonwandlers arbeitet die Membran im Inneren des folgenden „Gehäuses“.
Ohne das richtige Kapseldesign wäre die Mikrofonmembran wirkungslos und das Mikrofon würde keine Energie umwandeln. Lassen Sie uns etwas ausführlicher über Mikrofonmembranen und ihre Gehäuse sprechen.
Dynamische Mikrofonkapsel mit beweglicher Membran und beweglicher Spule
Die Wandlereinheit des dynamischen Mikrofons mit beweglicher Spule wird oft als Tonabnehmer oder „Kapsel“ des Mikrofons bezeichnet.
Zwei gängige dynamische Mikrofonkapseln mit beweglicher Spule sind unten abgebildet. Der Shure R176 ist ein Tonabnehmer, der im Shure Beta 58A zu finden ist, und der SM58-Tonabnehmer ist im beliebten Shure SM58 zu finden.
Der Tonabnehmer mit beweglicher Spule besteht aus 5 Schlüsselkomponenten:
- Membran.
- „Bewegende“ leitende Spule.
- Magnete und Polstücke.
- Unterkunft.
- Elektrische Kabel.
Membran und Element eines dynamischen Bändchenmikrofons
Die Wandlereinheit des dynamischen Schwingspulenmikrofons wird oft als das Element oder die «Schallwand» des Mikrofons bezeichnet.
Unten sehen Sie ein Bild des Royer R-121 Flaggschiff-Bändchenmikrofon-Schallwand-/Bändchenelements:
Das Gürtel-/Baffle-Element besteht aus 4 Schlüsselkomponenten:
- Membran.
- Magnete und Polstücke.
- Unterkunft.
- Elektrische Kabel.
Membran-Kondensator-Mikrofonkapsel
Die Wandlereinheit des Kondensatormikrofons wird als Kapsel bezeichnet.
Unten abgebildet sind die berühmten Doppelmembran-Kondensatormikrofonkapseln AKG CK12 und Neumann K67. Jede dieser Kapseln wurde im Laufe der Jahre in zahlreichen hochwertigen Mikrofonen eingesetzt(insbesondere AKG C 12 und Neumann U 67). Seine Designs wurden seit seiner Gründung(1951 bzw. 1960) Jahr für Jahr repliziert.
Die Kondensatorkapsel besteht aus 4 Hauptkomponenten:
- Membran(Frontplatte).
- Rückenplatte.
- Unterkunft.
- Elektrische Kabel.
Andere wichtige Mikrofonkomponenten für die richtige Leistungsumwandlung
Obwohl sie nicht unbedingt Teil des Wandlerelements eines Mikrofons sind, sind die folgenden Komponenten oft erforderlich, damit ein Mikrofon ordnungsgemäß als Wandler funktioniert.
Bitte beachten Sie, dass nicht alle Mikrofone über alle oben genannten Komponenten verfügen. Mikrofone, die mit einer der oben genannten Komponenten konstruiert sind, erfordern jedoch, dass sie effektiv arbeiten können, damit das Mikrofon effektiv funktioniert.
Transformator
Viele Mikrofone sind mit transformatorgekoppelten Ausgängen ausgestattet.
Was ist ein Transformator? Ein Transformator ist ein passives elektrisches Gerät, das zwei Stromkreise verbindet, ohne sie physisch zu verbinden. Dies geschieht durch elektromagnetische Induktion, einen Magnetkern und leitfähige Wicklungen, die in jedem Stromkreis verbunden sind. Mikrofontransformatoren erhöhen/verringern die Wechselspannung, blockieren die Gleichspannung und passen die Impedanz an.
Ein einfacher Transformator besteht aus einer Primärwicklung aus leitendem Draht, einer Sekundärwicklung aus leitendem Draht und einem Magnetkern.
Jede Wicklung ist Teil eines eigenen Stromkreises. Beide Wicklungen wickeln sich um den Magnetkern, berühren sich aber nicht. Dies «bindet» die beiden Schaltkreise effektiv zusammen, ohne sie physisch zu verbinden.
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Lassen Sie uns erklären, wie ein einfacher Mikrofontransformator funktioniert:
Das Wechselstromsignal vom Mikrofonwandler(und anderen Komponenten zwischen dem Wandler und dem Transformator) durchläuft die Primärwicklung des Transformators.
Dieses AC-Mikrofonsignal in der Primärwicklung induziert ein sich änderndes Magnetfeld und einen sich ändernden Magnetfluss innerhalb des Magnetkerns des Transformators.
Dieser sich ändernde magnetische Fluss induziert eine relative Wechselspannung über der Sekundärwicklung, die Teil der Ausgangsverbindungsschaltung des Mikrofons ist.
Mit anderen Worten, mehr Windungen in der Sekundärwicklung erhöhen die Spannung, verringern den Strom und erhöhen die Impedanz(im Sekundärkreis). Dies wird als Aufwärtstransformator bezeichnet.
Umgekehrt wird durch weniger Windungen in der Sekundärwicklung die Spannung gesenkt, der Strom erhöht und die Impedanz(im Sekundärkreis) gesenkt. Dies wird als Abwärtstransformator bezeichnet.
Einige Mikrofone sind mit Aufwärtstransformatoren, einige mit Abwärtstransformatoren und wieder andere ohne Transformator ausgestattet.
Aufwärtstransformatoren
Wenn Aufwärtstransformatoren verwendet werden, werden sie typischerweise in dynamische Mikrofone eingebaut.
Wechselspannungssignale, die von Tonabnehmern mit beweglichen Spulen und Bandelementen erzeugt werden, sind typischerweise sehr schwach. Sie haben eine niedrige Spannung und eine niedrige Impedanz.
Aufwärtstransformatoren erhöhen effektiv die Wechselspannung auf ein gesünderes Mikrofonpegelsignal, ohne die Signalimpedanz auf unbrauchbare Pegel zu erhöhen.
Abwärtstransformatoren
Wenn Abwärtstransformatoren verwendet werden, werden sie typischerweise nach dem Röhren- oder FET-basierten Impedanzwandler/Verstärker in aktive Mikrofone eingebaut.
In diesem Fall wird der Transformator verwendet, um die Impedanz des Mikrofonsignals vor der Ausgabe zu reduzieren.
Vakuumröhren und einige FET-Mikrofondesigns geben Signale mit relativ hoher Impedanz aus(zu hoch für eine effektive Signalübertragung an professionelle Vorverstärker). Abwärtstransformatoren reduzieren die Ausgangsimpedanz auf ein nutzbares Niveau.
Die Röhren- und Transistorschaltungen sind so ausgelegt, dass sie das Signal ausreichend «verstärken», damit nach dem Abwärtstransformator immer noch eine starke Spannung erreicht werden kann.
Impedanzwandler/Verstärker(Transistor und Platine)
Viele Mikrofone sind mit aktiven Impedanzwandlern/Verstärkern ausgestattet. Diese aktiven Bauelemente werden normalerweise mit einer gedruckten Leiterplatte(PCB) basierend auf einem Feldeffekttransistor(FET) oder einem Sperrschicht-Feldeffekttransistor(JFET) hergestellt.
Was ist ein Mikrofonimpedanzwandler? Ein Mikrofon-Impedanzwandler bezieht sich im Allgemeinen auf eine auf Festkörpertransistoren basierende Schaltung, die das hochohmige Signal vom Ausgang der Kondensatorkapsel in ein Signal mit höherer Spannung und niedrigerer Impedanz für den Ausgang des Mikrofons umwandelt. Beachten Sie, dass Vakuumröhren auch Impedanzwandler sind.
Der grundlegende Mikrofonimpedanzwandler/-verstärker ist um einen FET herum aufgebaut. Lassen Sie uns kurz diskutieren, wie ein FET funktioniert:
FETs und JFETs sind elektronische Halbleiterbauelemente, die ein elektrisches Feld verwenden, um den Stromfluss zu steuern. Diese aktiven Geräte haben drei Anschlüsse:
- Source(S): Der Anschluss, an dem Ladungsträger(Elektronen oder „Löcher“) in den Kanal(Transistor) eintreten.
- Drain(D): Der Anschluss, an dem Ladungsträger(Elektronen oder „Löcher“) den Kanal(Transistor) verlassen.
- Gate(G): das Terminal, das die Leitfähigkeit des Kanals moduliert.
Bevor wir erklären, was das eigentlich für ein Mikrofon bedeutet, werfen wir einen Blick auf ein Diagramm eines FET:
Bei einem aktiven Mikrofon wird das Signal(Wechselspannung) von der Mikrofonkapsel an das Gate des Transistors angelegt, um den Strom und die Spannung zwischen Source und Drain zu steuern.
Grundsätzlich kann das Signal am Gate als Eingang betrachtet werden, während der Ausgang als Signal zwischen(und aus) Source und Drain betrachtet werden kann.
In dieser allzu vereinfachten Betrachtungsweise steuert der Eingang des FET/JFET den Ausgang, ohne dass die beiden Schaltungen physikalisch verbunden sind. Auf diese Weise ähnelt der Transistor dem Transformator.
Die Eingangsimpedanz am Gate ist extrem hoch und kann das sehr hochohmige Signal einer typischen Kondensatormikrofonkapsel empfangen. Bei FET-Kondensatormikrofonen wird der Transistor oft so nah wie möglich an den Kapselleitungen ausgelegt, damit das Signal nicht durch die Leitungen zwischen den beiden Geräten verschlechtert wird.
Bei aktiven Bändchenmikrofonen befindet sich typischerweise ein Aufwärtstransformator zwischen dem Bändchenelement und dem Transistor. Der Aufwärtstransformator erhöht die schwache Spannung des Bandes gleichzeitig mit der Erhöhung der Impedanz.
Die Ausgangsimpedanz des FET/JFET ist viel niedriger und ermöglicht es dem Audioausgangssignal, durch den Rest der Mikrofonschaltung und durch die Mikrofonkabel zum Vorverstärker oder anderen Gerät in der Reihe zu wandern.
Auf diese Weise wirkt der Transistor als Impedanzwandler.
Ebenso kann der Transistor als «Verstärker» fungieren. Es verwendet die Wechselspannung am Gate, um eine größere Wechselspannung zwischen Source und Drain zu treiben.
leere Röhre
Vor den Transistoren gab es Vakuumröhren(auch als «Ventile» bekannt).
Die Vakuumröhre(in Röhrenmikrofonen) erfüllt im Wesentlichen die gleiche Aufgabe wie die FET- und JFET-Festkörpertransistoren. Es dient dazu, die Impedanz umzuwandeln und die AC-Signale von den Mikrofonkapseln zu verstärken.
Die grundlegendste «verstärkende» Vakuumröhre ist eine Triode(was bedeutet, dass sie die Kathode, die Anode und das Gitter hat).
Schauen wir uns die Teile einer einfachen indirekt beheizten Trioden-Vakuumröhre an:
- Heizung(H): Die Heizung wird extern mit Strom versorgt und erwärmt die Kathode.
- Kathode(K): Beim Erhitzen gibt die negative Kathode Elektronen ab, die zur positiven Anode fließen.
- Anode/Platte(A): Die positive Platte sammelt Elektronen, die von der erhitzten Kathode fließen.
- Gitter(G): variiert den Elektronenfluss zwischen der beheizten Kathode und der Anode(Platte).
Beachten Sie, dass in frühen «direkt beheizten» Röhren die Heizung und die Kathode zu einem einzigen Stück zusammengefasst sind, das als Filament bezeichnet wird.
In unseren Mikrofonröhren legen wir externe Energie an die Heizung(normalerweise von einer externen Stromversorgung).
Die Heizung erhitzt die Kathode, die Elektronen emittiert. Diese Elektronen fließen innerhalb der Vakuumröhre(das Vakuum erzeugt sehr wenig Widerstand) zur positiv geladenen Anode(Platte).
Das Ausgangssignal der Kapsel steuert das Gitter. Das Wechselstromsignal von einer Röhrenmikrofonkapsel moduliert effektiv das Vakuumröhrengitter und variiert den Elektronenfluss von der Kathode zur Anode.
Die Anode(Platte) „sammelt“ dann einen elektrischen Strom, der dem Wechselstromsignal von der Kapsel entspricht.
Der Elektronenfluss innerhalb der Röhre ist im Allgemeinen stärker als das Signal von der Kapsel. Wenn wir uns die Vakuumröhre als Ein-/Ausgabegerät vorstellen, würden wir sehen, dass der Ausgang(von der Anode) ein stärkeres Wechselstromsignal ist als der Eingang(in das Netzwerk).
Beachten Sie, dass diese «Verstärkung» eigentlich nur eine Modulation ist, die den oben erwähnten FETs / JFETs sehr ähnlich ist.
Die Vakuumröhre wirkt auch als Impedanzwandler. Das Ausgangssignal(von der Anode) hat eine niedrigere Impedanz als das Eingangssignal(in das Netzwerk).
Bemerkenswert ist auch, dass die Vakuumröhre ein unsymmetrisches Signal mit immer noch recht hoher Impedanz ausgibt. Aus diesen Gründen haben Röhrenmikrofone oft Abwärtstransformatoren(oder sogar PCBs auf Transistorbasis) zwischen der Röhre und dem Ausgang.
Stromversorgung
Einige Mikrofone(insbesondere Röhrenmikrofone) benötigen spezielle externe Netzteile, um ordnungsgemäß zu funktionieren.
Aktive Mikrofone aller Art benötigen irgendeine Form von Strom, um richtig zu funktionieren. Es kann sich um Phantomspeisung, DC-Vorspannung, USB-Strom oder andere Arten von Stromversorgung handeln. Mit anderen Worten, die Stromversorgung muss nicht immer eine dedizierte eigenständige Einheit sein.
Analog-Digital-Wandler
In digitalen Mikrofonen wie USB-Mikrofonen gibt es Analog-Digital-Wandler(ADCs).
Diese ADCs sind innerhalb des Mikrofondesigns erforderlich, damit das Mikrofon digitales Audio ausgeben kann.
Das Mikrofon als Wandler ist analog. Es wandelt die Energie mechanischer Wellen in elektrische Energie(analoge Audiosignale) um.
Ein ADC wandelt wie jedes andere digitale Audiointerface das elektrische Signal vom Mikrofon in die Einsen und Nullen von digitalem Audio um.
Ausgangsanschluss
Schließlich wäre ein Mikrofon ohne einen Ausgangsanschluss nicht vollständig. Nach Stromumwandlung; Anpassung der Signalimpedanz; Verstärkung; und Balance muss das Mikrofonsignal aus dem Mikrofon heraus und in ein Gerät geleitet werden, das sein Signal effektiv nutzen kann(Vorverstärker, Mischpult, Interface usw.).
Es gibt viele Arten von Mikrofonausgangsanschlüssen. Zu den üblichen Ausgangsanschlüssen gehören:
- XLR
- TAF5
- USB
- TRS
- TRRS
Die Energieumwandlung(von der Schallwelle zum Ausgangssignal des Mikrofons)
Wir haben die Grundlagen der Funktionsweise von Mikrofonen und die Komponenten besprochen, die es ihnen ermöglichen, richtig zu funktionieren. Werfen wir nun einen Blick auf die verschiedenen Arten von Mikrofonwandlern und welche Komponenten sie zur Leistungsumwandlung verwenden.
Bei jedem Mikrofontyp beginnen wir bei der Schallwelle und enden beim Mikrofonausgang.
Die Mikrofontypen, die wir hier besprechen werden, sind:
Leistungswandlung in einem dynamischen Schwingspulenmikrofon
- Schallwelle
- Bewegliche Membran und Antriebsspule.
- Umwandlung der Energie mechanischer Wellen in elektrische Energie durch elektromagnetische Induktion.
- Der Pegel des Mikrofonsignals nimmt zu, wenn es einen Aufwärtstransformator durchläuft.
- Das Mikrofonsignal wird über den Mikrofonausgangsanschluss ausgegeben.
Schallwelle
Wie immer beginnt mechanische Energie als Schallwelle.
Tonabnehmer/Membran mit beweglicher Spule(Wandler)
Die Schallwelle vibriert die Membran in der Schwingspulenkartusche. An der Membran ist eine leitende Spule angebracht, die mitschwingt.
Diese leitende Spule bewegt sich innerhalb eines zylindrischen Ausschnitts innerhalb eines Permanentmagneten. Wenn sich die Spule innerhalb des Magnetfelds bewegt, erfährt sie einen schwankenden Magnetfluss.
Durch elektromagnetische Induktion wird über der Spule eine elektromagnetische Kraft(Spannung) erzeugt. Da sich die Spule mit der Membran hin und her bewegt, entsteht eine Wechselspannung.
Von jedem Ende der Spule wird ein Draht genommen, um dieses AC-Mikrofonsignal weiter nach unten in die Stromleitung zu leiten.
Aufwärtstransformator
Manchmal befindet sich am Ausgang eines Tauchspulenmikrofons ein Aufwärtstransformator.
Der Aufwärtstransformator dient in erster Linie dazu, die Wechselspannung bzw. Signalstärke des Mikrofons zu erhöhen.
Ein Aufwärtstransformator ist nützlich, um die Signalimpedanz auf professionelle Mikrofonpegel zu bringen. Oft ist die Signalimpedanz des Tonabnehmers mit beweglicher Spule zu niedrig.
Zusätzlich schützt der Transformator das Mikrofon vor Gleichspannungen wie Phantomspeisung. Diese Gleichspannung würde jedoch nicht unbedingt die robuste dynamische Mikrofonkapsel/Membran beschädigen.
Ausgangsanschluss
Schließlich muss das Mikrofon einen Ausgang haben. Häufig haben dynamische Mikrofone mit beweglicher Spule einen 3-poligen XLR-Ausgang. Es gibt jedoch viele andere Möglichkeiten, je nach Verwendungszweck des Mikrofons.
Leistungswandlung in einem dynamischen Bändchenmikrofon
- Schallwelle
- Bewegliche leitfähige Membran.
- Umwandlung der Energie mechanischer Wellen in elektrische Energie durch elektromagnetische Induktion.
- Das Mikrofonsignal wird entweder durch einen aktiven Vorverstärker(aktives Bändchen) verstärkt oder durch einen Aufwärtstransformator(passives Bändchen) im Pegel angehoben.
- Das Mikrofonsignal wird über den Mikrofonausgangsanschluss ausgegeben.
Dynamisches Bändchenmikrofon mit transformatorgekoppeltem Ausgang
Schallwelle
Wie immer beginnt mechanische Energie als Schallwelle.
Membran-/Bandelement
Schallwellen üben unterschiedlichen Druck auf die dünne, wellenförmige, bandförmige Membran des Bändchenmikrofons aus.
Die dynamische Bandmembran oszilliert innerhalb einer magnetischen Schallwandstruktur hin und her. Im Gegensatz zu ihrem Gegenstück zu einer beweglichen Spule ist die Bandmembran selbst leitfähig.
Wenn sich der Leiterstreifen hin und her bewegt, erfährt er einen sich ändernden magnetischen Fluss im permanenten Magnetfeld. Elektromagnetische Induktion induziert eine Spannung über das Band.
Anschlussdrähte werden von jedem Ende des Anschlussstreifens genommen und verlegt, um einen Stromkreis mit der Primärwicklung des Aufwärtstransformators zu bilden.
Aufwärtstransformator
Bändchenmembranen geben naturgemäß sehr schwache Mikrofonsignale(Wechselspannungen) ab. Daher wird ein Aufwärtstransformator benötigt, um die Spannung auf nutzbare Pegel zu erhöhen.
Glücklicherweise ist die Impedanz des rohen Bandsignals ebenfalls niedrig, und daher drückt das Verstärken des Signals die Impedanz nicht auf unbrauchbare Pegel.
Ausgangsanschluss
Vom Ausgang(Sekundärwicklung) des Aufwärtstransformators wird das Signal über den Mikrofonausgang ausgegeben.
Im Allgemeinen haben Bändchenmikrofone XLR-Ausgänge, obwohl jeder Ausgangsanschluss möglich ist.
Dynamisches aktives Bändchenmikrofon mit transformatorloser FET-Ausgangsschaltung
Einige Bändchenmikrofone sind aktiv mit Festkörperschaltungen. Aktive Bändchenmikrofone geben stärkere Signale aus als ihre passiven Gegenstücke(oben beschrieben).
Schauen wir uns genauer an, wie ein typisches aktives FET-Bändchenmikrofon Leistung umwandeln würde:
Schallwelle
Wie immer beginnt mechanische Energie als Schallwelle.
Membran-/Bandelement
Das Membran-/Bandelement wirkt auf die gleiche Weise wie oben beschrieben als Wandler.
Aufwärtstransformator
Der Boost-Transformator in einem aktiven Bändchenmikrofon übernimmt normalerweise den größten Teil der Schwerlast in Bezug auf die „Verstärkung“ des Signals.
Diese Aufwärtstransformatoren haben höhere Verhältnisse von Sekundärwicklung zu Primärwicklung als ihre passiven Gegenstücke.
Ein hohes Verhältnis bedeutet, dass der Aufwärtstransformator die Spannung erheblich erhöht, auf Kosten einer weiteren Erhöhung der(oft zu hohen) Impedanz.
Impedanzwandler/Verstärker und DC-Netzteil
Der aktive Impedanzwandler/Verstärker ist üblicherweise eine gedruckte Leiterplatte auf Transistorbasis.
Das Signal des Aufwärtstransformators ist sehr hochohmig. Impedanzwandlerschaltungen reduzieren diese Impedanz effektiv auf nutzbare Pegel, ohne das Signal zu verschlechtern oder die Signalstärke stark zu beeinträchtigen.
Meistens wird die von der aktiven Schaltung benötigte Energie durch Phantomspeisung bereitgestellt(vom Mikrofonvorverstärker oder einer separaten Phantomspeisung).
Ausgangsanschluss
Wie immer benötigen wir einen standardisierten Ausgangsanschluss, damit das Mikrofon sein Signal ausgeben kann.
Aktives dynamisches Röhren-Bändchenmikrofon mit transformatorgekoppelten Ausgängen
Schallwelle
Wie immer beginnt mechanische Energie als Schallwelle.
Membran-/Bandelement
Das Membran-/Bandelement wirkt auf die gleiche Weise wie oben beschrieben als Wandler.
Aufwärtstransformator
Wie beim oben erwähnten aktiven FET-Bändchenmikrofon verlässt sich das Röhren-Bändchenmikrofon stark auf seinen Aufwärtstransformator, um das schwache Signal von seinem Bändchenelement zu verstärken.
Vakuumröhre und Gleichstromversorgung
Die Vakuumröhre fungiert im Wesentlichen als ein weiterer «Verstärkungs»-Schritt, während sie auch die Funktion der Impedanzwandlung ausführt.
Der Ausgang des Aufwärtstransformators wird an das Vakuumröhrengitter gesendet und moduliert das stärkere Ausgangssignal mit niedrigerer Impedanz.
Vakuumröhren benötigen im Allgemeinen ein eigenes separates Netzteil, um ordnungsgemäß zu funktionieren.
Bitte beachten Sie, dass der Ausgang der Vakuumröhre unsymmetrisch ist.
Trafo herunterstufen
Dies erscheint kontraintuitiv, aber am Ausgang des Röhren-Bändchenmikrofons ist normalerweise ein Abwärtstransformator erforderlich, um das Signal zu „optimieren“. Es wirkt, um das Signal auszugleichen und die Impedanz anzupassen.
Ausgangsanschluss
Vom Abwärtstransformator verlässt das Signal das Mikrofon durch den Ausgangsanschluss.
Bei Röhrenmikrofonen(auch Bändchen-Röhrenmikrofonen) wird der Ausgangsanschluss oft mit dem Netzteil verbunden. Aus diesem Grund sind hohe Stiftzahlen übliche Ausgangsanschlüsse für Röhrenmikrofone.
Leistungswandlung in einem Kondensatormikrofon
- Schallwelle
- Bewegliche Membran in einem Parallelplattenkondensator mit fester Ladung.
- Umwandlung mechanischer Wellenenergie in elektrische Energie. Das elektrische Signal ist umgekehrt proportional zum Abstand zwischen den parallelen Platten.
- Das Mikrofonsignal wird sofort verstärkt und impedanzgewandelt(über Transistor oder Röhre).
- Das Mikrofonsignal wird über den Mikrofonausgangsanschluss ausgegeben.
Elektret-Kondensatormikrofon mit transformatorloser FET-Ausgangsschaltung
Schallwelle
Wie immer beginnt mechanische Energie als Schallwelle.
Elektret-Kondensatorkapsel/Membran
Die Schallwellen üben einen variablen Druck auf die Membran aus.
Das Elektretmaterial einer Elektret-Kondensatorkapsel verleiht dieser eine dauerhafte Ladung. Daher benötigt der Parallelplattenkondensator keine externe Vorspannung, um richtig zu funktionieren.
Wenn sich die Membran bewegt, ändert sich die Kapazität der Parallelplattenkapsel.
Da die Ladung konstant ist, verursacht jede Kapazitätsänderung eine Ladung, die umgekehrt proportional zur Spannung ist.
Wenn also die Membran schwingt, erzeugt die Kapsel eine Wechselspannung.
Diese Wechselspannung hat eine unglaublich hohe Impedanz, sodass unmittelbar nach der Kapsel ein Impedanzwandler erforderlich ist. Das Senden dieses hochohmigen Signals über eine größere Kabellänge wird seine Qualität stark verschlechtern.
Transistor-Impedanzwandler/Verstärker und Gleichstromversorgung
Der Impedanzwandler/Verstärker eines Elektretmikrofons ist die aktive Komponente und benötigt eine externe Stromversorgung.
Dies wird normalerweise durch eine Art DC-Vorspannung bereitgestellt, obwohl Phantomspeisung eine übliche Methode zur Stromversorgung von Elektret-Studiomikrofonen ist.
Transistoren(FETs und JFETs) sind die Kernbestandteile aktiver Impedanzwandler. Sie empfangen das hochohmige Signal der Elektretkapsel und modulieren damit ein stärkeres, niederohmigeres Signal an ihren Ausgängen.
Ausgangsanschluss
Da Elektretmikrofone so beliebt sind, gibt es viele verschiedene Ausgangsanschlüsse.
Elektretmikrofone sind auf dem Markt für professionelle Studiomikrofone zu finden, finden sich aber auch in Krawatten, Kopfhörern, Handys, Laptops und vielen Unterhaltungselektronikgeräten.
Echtes Kondensatormikrofon mit übertragerloser FET-Ausgangsschaltung
Schallwelle
Wie immer beginnt mechanische Energie als Schallwelle.
Kondensatorkapsel/Membran und Gleichstromversorgung
Die Parallelplatten-Kondensatorkapsel des «echten» Kondensators arbeitet nach den gleichen Prinzipien wie alle anderen Kondensatorkapseln. Der Unterschied zwischen echten Kondensatorkapseln und Elektretkapseln besteht darin, dass echte Kondensatorkapseln extern vorgespannt sind.
Echte Kondensatoren haben normalerweise Studioqualität und sind daher für den Betrieb mit Phantomspeisung ausgelegt. Einige können jedoch auf andere Weise ernährt werden.
Transistor-Impedanzwandler/Verstärker und Gleichstromversorgung
Wie beim aktiven Elektret-Kondensatormikrofon hat das echte Kondensatormikrofon eine Leiterplatte, die um eine Art Impedanzwandlungstransistor(FET/JFET) zentriert ist.
Der Weg zum Impedanzwandler sollte so nah wie möglich an der Kapsel erfolgen, damit das Signal auf dem Weg durch die Kabel keine Chance hat, sich zu verschlechtern.
Der hochohmige Eingang(Gate) des FET nimmt das Signal von der Mikrofonkapsel auf. Dieses Signal moduliert dann ein stärkeres Signal mit niedrigerer Impedanz, das das Mikrofon schließlich ausgeben wird.
Die Stromversorgung der aktiven Schaltung eines echten Kondensators erfolgt auf die gleiche Weise wie die Vorspannung seiner Kapsel.
Ausgangsanschluss
Echte Kondensatoren sind meistens im Studio zu finden, daher sind XLR-Ausgangsanschlüsse üblich(sie sind ein Standard für die Verwendung mit Phantomspeisung). Sie können jedoch alle Arten von Ausgangsanschlüssen mit echten Kondensatormikrofonen haben.
Echtes Kondensatormikrofon mit transformatorgekoppeltem Ausgang
Schallwelle
Wie immer beginnt mechanische Energie als Schallwelle.
Kondensatorkapsel/Membran und Gleichstromversorgung
Die echte Kondensator-Membrankapsel ist extern vorgespannt. Es funktioniert nach den gleichen Prinzipien wie jede andere Kondensatorkapsel.
Meistens wird diese externe Vorspannung durch Phantomspeisung geliefert, obwohl es auch andere Möglichkeiten gibt, dies zu tun.
Transistor-Impedanzwandler/Verstärker und Gleichstromversorgung
Die aktive Schaltung basiert auf einem FET/JFET und fungiert als Impedanzwandler und Verstärker für das hochohmige Signal der Kapsel.
Trafo herunterstufen
In vielen frühen FET-Mikrofonen wurden Abwärtstransformatoren verwendet, um die Impedanz des Ausgangssignals auszugleichen und weiter anzupassen.
Ausgangsanschluss
Jeder Ausgangsanschluss kann mit einem echten Kondensatormikrofon verwendet werden. Aufgrund seiner Beliebtheit in Studioanwendungen sind seine Ausgangsanschlüsse jedoch typischerweise vom Typ XLR.
Röhren-Kondensatormikrofon mit transformatorgekoppeltem Ausgang
Schallwelle
Wie immer beginnt mechanische Energie als Schallwelle.
Kondensatorkapsel/Membran und Gleichstromversorgung
Die externe Kondensatorkapsel mit polarisierten Rohren funktioniert nach den gleichen Prinzipien wie jede andere Kondensatorkapsel mit parallelen Platten.
Es verwendet eine feste Last und eine bewegliche Membranplatte. Wenn sich die Membran bewegt, ändert sich der Abstand zwischen den Platten, was zu einer entsprechenden Kapazitätsänderung führt. Diese Kapazitätsänderung verursacht eine umgekehrt proportionale Spannungsänderung an den Platten.
Die Wechselspannung über den Platten ist effektiv unser umgewandeltes Mikrofonsignal.
Die externe Vorspannung der Röhren-Kondensatorkapsel wird typischerweise durch dieselbe Stromversorgung bereitgestellt, die die Vakuumröhre erhitzt.
Vakuumröhren-Impedanzwandler/Verstärker und DC-Netzteil
Die Vakuumröhre gilt gemeinhin als Vorläufer des Transistors. In Mikrofonen erfüllen sie im Wesentlichen die gleiche Funktion.
Die externe Stromversorgung erwärmt die Röhre und verursacht einen Elektronenfluss zwischen Kathode und Anode.
Das hochohmige Ausgangssignal der Kapsel treibt das Vakuumröhrengitter an. Das Gitter einer Vakuumröhre verändert effektiv den Elektronenfluss von der Kathode zur Anode.
Daher moduliert das hochohmige Signal von der Kapsel ein stärkeres, niederohmigeres Signal, das aus der Röhre kommt.
Die Röhre «verstärkt» das Signal effektiv und gibt gleichzeitig ein brauchbares niederohmiges Signal aus.
Externe Stromversorgungen sind meistens erforderlich, um die Röhre zu erwärmen.
Trafo herunterstufen
Ein Abwärtstransformator gehört normalerweise zum Design eines Röhrenmikrofons. Diese Transformatoren verbessern die Impedanz des Signals weiter und gleichen gleichzeitig das unsymmetrische Signal von der Röhre aus.
Ausgangsanschluss
Da das Röhrenmikrofon eine externe Stromversorgung benötigt, ist sein Ausgangsanschluss oft pin-intensiv und wird an ein dediziertes Netzteil angeschlossen.
Echtes Kondensatormikrofon mit übertragerloser FET-Ausgangsschaltung
Schallwelle
Wie immer beginnt mechanische Energie als Schallwelle.
Kondensatorkapsel/Membran und Gleichstromversorgung
Die Röhren-Kondensator-Mikrofonkapsel wird extern über die Stromversorgung des Mikrofons vorgespannt.
Abgesehen davon funktioniert es nach den gleichen Prinzipien wie jede andere Kondensatorkapsel.
Vakuumröhren-Impedanzwandler/Verstärker und DC-Netzteil
Die Vakuumröhre funktioniert genauso wie die Röhre in einem transformatorgekoppelten Röhrenmikrofon.
Aktiver PCB-Impedanzwandler/Verstärker
Anstelle eines Ausgangsübertragers verwenden diese Röhrenmikrofone eine aktive Schaltung, um das Ausgangssignal der Röhre auszugleichen. Diese Schaltungen passen auch die Impedanz des Signals an.
Beachten Sie, dass der größte Teil der Impedanzwandlung und Signalverstärkung von der Röhre bereitgestellt wird. Dadurch behalten PCB-Röhrenmikrofone einen großen Teil ihres „Röhrenklangs“.
Ausgangsanschluss
Da das Röhrenmikrofon eine externe Stromversorgung benötigt, ist sein Ausgangsanschluss oft pin-intensiv und wird an ein dediziertes Netzteil angeschlossen.
Leistungsumwandlung an einem USB-Mikrofon
- Schallwelle
- bewegliche Membran.
- Umwandlung mechanischer Wellenenergie in elektrische Energie durch elektromagnetische Induktion oder elektrostatische(dynamische oder Kondensator-) Prinzipien.
- Das elektrische analoge Mikrofonsignal wird durch einen internen Analog-Digital-Wandler in ein digitales Audiosignal umgewandelt.
- Das digitale Mikrofonsignal wird über den Mikrofonausgangsanschluss ausgegeben.
Vereinfachtes USB-Mikrofon
Schallwelle
Wie immer beginnt mechanische Energie als Schallwelle.
Wandler
Obwohl USB-Mikrofone normalerweise Elektret-Kondensatorkapseln haben, können sie mit jeder Art von Mikrofonwandler funktionieren.
Die Wandler würden nach den gleichen Prinzipien arbeiten wie jeder andere Wandler des gleichen Typs.
Analog-Digital-Wandler
USB-Mikrofone(und andere digitale Mikrofone) haben interne ADCs. Dies macht sie zu USB-Mikrofonen.
Der ADC nimmt die analoge Wechselspannung vom Mikrofonwandler und wandelt sie in digitales Audio um.
Die Bittiefe und Abtastrate des Konverters sind auf dem Datenblatt des Mikrofons aufgeführt.
Ausgangsanschluss
Wie der Name schon sagt, haben USB-Mikrofone USB-Ausgänge. Diese Ausgänge haben 4 Pins:
- Pin 1 liefert +5 VDC. Dies wird verwendet, um den ADC und alle Impedanzwandler, die in der Mikrofonkapsel verwendet werden können, mit Strom zu versorgen.
- Pin 2 führt Daten -.
- Pin 3 führt Daten +.
- Pin 4 dient als Masse.
Verwandte Fragen
Wie funktionieren drahtlose Mikrofone? Drahtlose Mikrofone wandeln Ton auf die gleiche Weise in Audio um wie kabelgebundene Mikrofone. Was ein Mikrofon drahtlos macht, ist der drahtlose Sender, der das gesendete Mikrofonsignal nimmt, es in ein Einfrequenz-Funksignal integriert und es drahtlos an einen kompatiblen Empfänger sendet.
Braucht ein Mikrofon Strom? Obwohl alle Mikrofone elektrische Wechselstromsignale(Mikrofonsignale) ausgeben, benötigen nicht alle Mikrofone Strom, um zu funktionieren. Passive Mikrofone(z. B. Moving-Coil-Dynamikmikrofone) benötigen keine externe Stromversorgung, um ordnungsgemäß zu funktionieren. Im Gegensatz dazu benötigen aktive Mikrofone(wie Kondensatoren) Strom, um zu funktionieren.
