Tauchspulenmikrofon

Das Dynamische Mikrofon ist ein elektroakustischer Wandler (Sensor), der Schallereignisse als Schalldruckimpulse nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion in äquivalente elektrische Spannungsimpulse wandelt.

Funktionsprinzip

Alle dynamischen Wandler nutzen das Prinzip der Induktion, um eine Membranschnellebewegung Δ v in m/s in eine Spannungsänderung Δ U in Volt zu wandeln. Üblich ist heute das Tauchspulenmikrofon, eine Bauform, die an einen Lautsprecher erinnert. Eine andere Bauform des dynamischen Wandlers ist das Bändchenmikrofon^[1].
Technisch betrachtet führt beim Dynamischen Mikrofon die Geschwindigkeit der Membranbewegung zum Signal, nicht die momentane Auslenkung, daher bezeichnet man es auch als Geschwindigkeitsempfänger. Der Haupteinsatzbereich von Dynamischen Mikrofonen ist der Live-Bereich. Im Studio werden meistens Kondensatormikrofone verwendet.

Physik des dynamischen Mikrofons

Induktionsgesetz

Elektroakustisches Wandlungsprinzip des dynamischen Mikrofons:

$\Delta\ U \propto \Delta\ v \,$ (proportional)

Induktionsgesetz beim dynamischen Mikrofon:

$\Delta\ U =- B \cdot l \cdot \Delta\ v \,$

• Δ U = erzeugte Signalspannung als Spannungsschwankung
• Δ v = Änderung der mechanischen Schnelle als mechanische Auslenk-Geschwindigkeit des Leiters (Membran mit Schwingspule)
• B = magnetische Flussdichte, die proportional zur Magnetfeldstärke H ist
• l = Länge des elektrischen Leiters als Tauchspulendraht bzw. Bändchen

Aus der Formel ergibt sich, dass die Leiterlänge l (Spulendraht bzw. Bändchen) in der Praxis entscheidenden Einfluss hat auf den Innenwiderstand (Ausgangsimpedanz) des Mikrofons. Ist die Leiterlänge sehr kurz, wie bei einem Bändchenmikrofon, sinken entsprechend die erzeugte Spannung und der Innenwiderstand. Besteht die Spule aus sehr vielen Windungen – beim Tauchspulenmikrofon soll damit eine hohe Spannung gewährleistet werden – dann wird der Innenwiderstand recht groß. Auch im Fall eines minderwertigen Mikrofons, das nur eine schwache Magnetfeldstärke „B“ hat, sinkt die erzeugte Spannung. Starke Magneten bringen dagegen den Vorteil der hohen Signalspannung.

Bauformen

Tauchspulenmikrofon

Schema eines Tauchspulenmikrofons

Das Tauchspulenmikrofon (auch Tauchspulmikrofon) ist ein elektroakustischer Wandler, der nach dem elektroinduktiven Prinzip des Dynamischen Mikrofons arbeitet. Es ist sowohl die Bauform des Druckgradientenmikrofons als auch die des Druckmikrofons üblich.

Der Begriff Tauchspulenmikrofon bezieht sich auf die technische Anordnung der Bauelemente des Wandlers: Bei dem Tauchspulenmikrofon ist die Membran fest mit einer Magnet- Spule verbunden, die durch die Membranbewegung in ein statisches dauermagnetisches Feld „eintaucht“. Siehe auch: Tauchspule. Die relative Bewegung von Spule und Magnetfeld erzeugt per Induktion die Signalspannung. Diese ist proportional zur Membrangeschwindigkeit.

Tauchspulenmikrofone benötigen keine nachträgliche Impedanzanpassung und auch keine Symmetrierung; beides kann allein durch die Dimensionierung und Verschaltung der Spule erreicht werden.
Zur Unterdrückung von Störschall (wie Trittschall oder Hantiergeräuschen) ist diese Einheit (die Mikrofonkapsel) im Mikrofongehäuse meistens elastisch gelagert.

Prinzipielle Nachteile: Die Luftschwingung muss die Masse der Membran mit der Spule bewegen und leistet außerdem elektrische Arbeit. Tauchspulenmikrofone haben daher ein träges Einschwingverhalten, was bei höheren Ansprüchen negativ bewertet wird, aber für bestimmte Zwecke dennoch erwünscht sein kann. Allerdings sind die Systeme so ausgereift, dass eine recht gute Klangqualität erreicht werden kann. Dem technischen Ideal kommt jedoch das Kondensatormikrofon deutlich näher. Dynamische Mikrofone haben ein nicht so hohes Übertragungsspektrum wie Kondensatormikrofone und sind eher für Nahaufnahmen geeignet.

Die Vorteile dieses Mikrofontyps zeigen sich darin, dass sie in der Regel gegenüber mechanischen Belastungen recht robust sind und hohe Schalldrücke vertragen − Eigenschaften, die im Livebetrieb gefragt sind. Auch benötigen sie keine Spannungsversorgung, was im mobilen Betrieb von Vorteil ist. Zudem gelten sie als relativ preisgünstig.

Bändchenmikrofon

Skizze eines Bändchenmikrofons

Ein Bändchenmikrofon (engl. ribbon microphone) ist ein elektroakustischer Wandler, der wie alle dynamischen Mikrofone nach dem Prinzip der Induktion arbeitet. Beim Bändchenmikrofon sind Wandlerprinzip und akustische Bauform eng verknüpft.

Die Membran des Bändchenmikrofons ist ein zickzack-gefalteter Aluminiumstreifen von 2 bis 4 mm Breite und ein paar Zentimeter Länge. Der Streifen ist nur wenige Mikrometer dick. Je nach Bauart sind ein oder zwei solcher Streifen zwischen den beiden Polen eines Permanentmagneten eingespannt, dass sie bei Anregung durch eintreffenden Schall geringfügig hin und her schwingen können. Die Bewegung im Magnetfeld induziert eine der Bewegungsgeschwindigkeit entsprechende Spannung, die an den Enden der Aluminiumstreifen abgegriffen werden kann.

Ein Übertrager muss unbedingt nachgeschaltet werden, um die zu geringe induzierte Spannung um etwa den Faktor 30 zu erhöhen. Damit wird zwangsläufig die Impedanz (frequenzabhängiger Widerstand) des Aluminiumstreifen von etwa 0,2 Ohm auf die in der Studiotechnik mögliche Ausgangsimpedanz von R_i = 200 Ohm angehoben.
Bändchenmikrofone besitzen einen im Arbeitsbereich nahezu linearen Frequenzgang; ihre äußerst leichte Membran verleiht ihnen ein gutes Impulsverhalten. Prinzipbedingt kann die Membran von beiden Seiten vom Schall erreicht werden. Ihre akustische Bauweise ist daher die eines Druckgradientenmikrofons. Daraus folgt auch die Richtcharakteristik einer Acht. Sie sind nicht für die Aufnahme tiefster Frequenzen geeignet.

Bändchenmikrofone reagieren empfindlich auf Wind, Erschütterungen und schnelle Bewegungen. Der Nahbesprechungseffekt ist wegen des Druckgradienten bei tiefen Frequenzen recht deutlich. Diese dröhnende Wirkung in der Nähe der Schallquelle kann durch Verwendung eines Bass-Cut-Filters gemindert werden.

Bändchenmikrofone erreichen sehr geringe Membranmassen und könnten daher mit Einschränkungen als Schallschnelleempfänger gesehen werden^[2]. Mikrofonentwickler widersprechen dieser Annahme und verwenden lieber das Wort Druckgradientenmikrofon oder Druckgradientenempfänger. Hitzdrahtmikrofone kommen dem Ideal des Schallschnellemikrofons sehr nahe und erlauben die Erfassung des Effektivwertes der Schallschnelle in bestimmten Richtungen, geben aber das akustische Signal nicht wieder.

Literatur

• Thomas Görne: Mikrofone in Theorie und Praxis. 8. Auflage, Elektor-Verlag, Aachen, 2007, ISBN 978-3-89576-189-8
• Norbert Pawera: Mikrofonpraxis. 4. Auflage, Franzis Verlag GmbH, München, 1993, ISBN 3-932275-54-3
• Fritz Kühne: Mono-, Stereo- und Transistor-Mikrofone. 7. Auflage, Franzis Verlag , München, 1966

Quellen

1. ↑ Michael Dickreiter, Handbuch der Tonstudiotechnik, 6. Auflage 1997, Band 1, Seite 189 ff
2. ↑ Michael Dickreiter, Handbuch der Tonstudiotechnik, 6. Auflage 1997, Band 1, Seite 192 ff