Kalvoilla on paljon tekemistä äänen kanssa. Me ”laulamme fyysisen kehomme kalvosta”, ja jos laulamme mikrofoniin, olemme vuorovaikutuksessa myös kalvon kanssa! Jokaisessa käytännöllisessä mikrofonissa on kalvo, ja kalvojen ymmärtäminen on ratkaisevan tärkeää mikrofonin hallinnan kannalta.
Mikä on siis mikrofonin kalvo? Mikrofonin kalvo on ohut kalvo, joka liikkuu ulkoisen äänenpaineen vaihtelun vaikutuksesta. Mikrofonikalvo on keskeinen muuntimen komponentti akustisen energian muuntamisessa sähköenergiaksi. Kolme tärkeintä kalvotyyppiä ovat liikkuvan kelan, nauhan ja kondensaattorin kalvot.
Mikrofonikalvoista puhuttaessa on paljon keskusteltavaa. Tässä artikkelissa kerrotaan yksityiskohtaisesti suosituista kalvotyypeistä ja huomioista, joita otamme huomioon, kun olemme tekemisissä mikrofonikalvojen kanssa!
- Mikä on mikrofonikalvo?
- Miten kalvo liikkuu?
- Mikrofonin, kaiuttimen ja rintakehän kalvojen vertailu
- Kaiutinmembraani
- Rintakehän pallea
- Acoustic Principle: Pressure Versus Pressure-Gradient
- Painekapseliperiaate
- Painegradienttiperiaate
- Combining Pressure & Pressure-Gradient
- Face Of The Diaphragm: Top-Address Versus Side-Address
- Top-Address
- Side-Address
- Liikkuvan kelan kalvo
- Materiaali
- Nauhamembraani
- Materiaali
- Herkkyys
- Kondensaattorin (kondensaattorin) kalvo
- Materiaali
- Pieni-kondensaattorikondensaattorit
- Suuren kalvon kondensaattorit
- Membraanin suorituskykyyn vaikuttavat tekijät
- Kalvon massa
- Kalvon muoto ja koko
- Kalvon kireys
- Kalvomateriaali
- Membraanin johtavuus
- Seuraavat kysymykset
Mikä on mikrofonikalvo?
Kuten mainittiin, mikrofonikalvo on ohut kalvo, joka liikkuu vasteena äänenpaineen vaihteluun (ääniaaltoihin). Kalvo on kriittinen ainesosa mikrofonin reseptissä. Itse asiassa ilman liikkuvaa kalvoa mikrofoni ei pystyisi hoitamaan tehtäväänsä muuntimena. Kalvon ja äänenpaineen samanaikainen liike on ensimmäinen askel akustisen energian muuttamisessa sähköiseksi energiaksi.
Koska mikrofonin kalvo on niin ohut, havaitsemme sillä olevan vain kaksi puolta. Kalvon liike perustuu sen kahden puolen väliseen äänenpaine-eroon.
Mikrofonin kalvo on osa mikrofonien suurempaa yksikköä, jota kutsutaan kapseliksi. Kapselin suunnittelu on erittäin tärkeää mikrofonin suorituskyvyn kannalta. Kapseli on viime kädessä minkä tahansa mikrofonin muuntajaelementti.
Mikrofonien kapseleista saat syvällistä tietoa artikkelistani Mikä on mikrofonikapseli? (Plus Top 3 suosituinta kapselia).
Kapselin ja kalvon asettelu muodostaa suuren osan mikrofonin ominaisäänestä. Taajuusvaste, herkkyys ja napakuvio ovat muutamia ominaisuuksia, jotka määräytyvät voimakkaasti kapselin ja kalvon rakenteen mukaan.
Mikrofonien kalvoja on 3 päätyyppiä:
- Liikkuvan kelan kalvo (dynaaminen)
- Nauhakalvo (dynaaminen)
- Etelolevykalvo (kondensaattori)
Miten kalvo liikkuu?
Mikrofonien kalvot ovat erittäin ohuita (jotkut alle 5 mikronia). Tämä ohuus tekee niistä erittäin herkkiä niiden välittömässä ympäristössä värähteleville ilmamolekyyleille. Värähtelevien ilmamolekyylien ”pommitus” mikrofonin kalvoon saa sen liikkumaan. Tämä mekaaninen liike sisään ja ulos lepoasennosta muunnetaan puolestaan sähköiseksi vaihtojännitteeksi (äänisignaaliksi).
Mikrofonin kalvo liikkuu sen kahden puolen välisen äänenpaine-eron mukaisesti. Jos ilmamolekyylit ”pommittavat” toista puolta enemmän kuin toista, tämä puoli työntyy sisäänpäin. Jos molemmille puolille kohdistuu yhtä paljon painetta, kalvo pysyy paikallaan.
Toinen tapa selittää kalvon liike on tarkastella yksinkertaista siniaaltoa. Siniaallossa on nollakohtia, huippuja ja laaksoja.
Kun siniaalto kulkee ilman läpi, se vaikuttaa ilmamolekyyleihin, joiden läpi se kulkee. Sama tapahtuu, kun ääniaalto saavuttaa kalvon.
- Huippupisteissään siniaalto aiheuttaa kalvoon maksimaalisen puristuksen, joka painaa kalvoa sisäänpäin.
- Matalimmillaan siniaalto aiheuttaa kalvoon maksimaalisen harvennuksen, joka vetää kalvoa ulos.
- Ja nollakohdissa siniaalto ei aiheuta kalvon liikettä.
Ääniaallot etenevät 343 m/s (1125 ft/s) ja ovat äärettömän paljon monimutkaisempia kuin yksinkertainen siniaalto. Kuten voit kuvitella, ne saavat kalvon värähtelemään nopeasti vastauksena ulkoiseen äänenpaineen vaihteluun!
Mikrofonin kalvot on suunniteltu liikkumaan äänenpaineen vaihtelun mukaisesti, jotta ne voivat tuottaa äänisignaalin, joka on tarkka kuvaus mikrofonin ympärillä tapahtuvasta äänestä.
Mikrofonin, kaiuttimen ja rintakehän kalvojen vertailu
Vertailu on joskus hyödyllistä asioiden selittämisessä. Me kaikki tunnemme luultavasti kaiuttimen kalvon, ja meillä on aivan varmasti rintakehän kalvoja kehossamme. Mikrofonin kalvo on samanlainen kuin nämä kaksi kalvoa! Minäpä selitän.
Kaiutinmembraani
Kaiuttimet, kuten mikrofonitkin, ovat muuntimia. Mikrofonit muuttavat mekaanisen aaltoenergian (ääni) sähköiseksi energiaksi (äänisignaali). Kaiuttimet taas muuttavat sähköenergian (äänisignaali) mekaaniseksi aaltoenergiaksi (ääni).
Kaiuttimet toimivat sähkömagneettisen induktion periaatteella, joka on sama periaate, joka ohjaa dynaamisia mikrofoneja (joita käsitellään myöhemmin tässä artikkelissa). Kaiuttimeen lähetetään vaihtojännitteen muodossa oleva äänisignaali. Tämä signaali kulkee magneettia ympäröivän paikallaan olevan johtavan lankakelan läpi. Johtavan langan läpi virtaava sähkö saa magneetin liikkumaan sähkömagneettisen induktion periaatteen mukaisesti. Koska ääni on vaihtovirtaa, magneetti liikkuu eteen- ja taaksepäin. Tämä magneetti on kiinnitetty kalvoon.
Kaiuttimen kalvo liikkuu yhdessä magneetin kanssa, johon se on kiinnitetty. Kun kalvo värähtelee, se työntää ja vetää ilmaa ympärilleen ja heijastaa ääniaaltoja tilan läpi.
Dynaaminen mikrofoni toimii vastakkaisella tavalla kuin kaiutin. Jos johdotettaisiin kaiutin päinvastoin, kalvo olisi periaatteessa mikrofonin kalvo! Tosin, koska kaiutinmembraanit ovat tyypillisesti paksumpia, leveämpiä ja painavampia kuin ammattimikrofonimembraanit, ne eivät olisi läheskään yhtä herkkiä. Tämä johtaisi vaimeaan ääneen.
Oppiaksesi, miten kaiutin johdotetaan niin, että siitä tulee mikrofoni, tutustu artikkeliini How To Turn A Loudspeaker Into A Microphone In 2 Easy Steps.
Rintakehän pallea
Rintakehän pallea on ohut luurankolihaslevy ihmisillä ja muilla nisäkkäillä.
Tässä biologisessa palleassa itse pallealihas supistuu ja laajenee. Rintakehän pallealihaksella on ensiarvoisen tärkeä rooli hengityksessä. Kun pallealihas supistuu, se auttaa vetämään ilmaa keuhkoihin. Kun pallealihas rentoutuu, se työntää ilmaa ulos keuhkoista.
Hengitys tapahtuu paljon hitaammin kuin ilman värähtely. Ajatus siitä, että pallea liikuttaa ilmaa, on kuitenkin sama.
Kerrataanpa nopeasti kolme mainittua palleaa:
- Rintakehän pallea supistuu ja laajenee liikuttaen ilmaa keuhkoihin ja keuhkoista ulos.
- Kaiuttimen kalvo on kiinnitetty magneettiin ja se liikkuu sähkömagneettisen induktion avulla syötetyn vaihtojännitteen mukaan.
- Mikrofonin kalvo liikkuu sitä ympäröivän äänenpaineen vaihtelun mukaan.
Acoustic Principle: Pressure Versus Pressure-Gradient
Vaikka se ei ole itse kalvon ominaisuus, on syytä mainita kapselin rakenne ja miten se muuttaa tapaa, jolla ääni vuorovaikuttaa kalvon kanssa.
Polaarikuvioita on kahta perustyyppiä:
- Omnidirektionaalinen – joka toimii paineperiaatteella.
- Bidirektionaalinen – joka toimii paine-gradienttiperiaatteella.
Kapselin muotoilu voi altistaa kalvonsa jommallekummalle edellä mainituista periaatteista tai niiden yhdistelmälle. Yhdistelmistä syntyy kardioidityyppisiä napakuvioita.
Painekapseliperiaate
Painekapseliperiaatteella kalvon toinen puoli on avoinna ulkoiselle äänenpaineelle. Toinen puoli on suljettu kiinteälle paineelle.
Me tiedämme, että kalvon liike johtuu sen etu- ja takapuolen välisestä paine-erosta. Koska vain kalvon toinen puoli on alttiina äänen värähtelyille, kalvo reagoi melko tasaisesti kaikista suunnista tulevaan ääneen. Tästä johtuu myös ympärisäteilevä polaarikuvio!
Lisätietoja ympärisäteilevästä polaarikuviosta saat artikkelistani Mikä on ympärisäteilevä mikrofoni? (Polar Pattern + Mic Examples).
Painegradienttiperiaate
Painegradienttiperiaatteella kalvon molemmat puolet ovat avoinna ulkoiselle äänenpaineelle.
Suoraan kalvon etupuolelta tulevat ääniaallot osuvat kalvon etupuolelle ensin ja takapuolelle joskus myöhemmin. Tämä vaihe-ero aiheuttaa pienen paine-eron, joka saa kalvon liikkumaan. Suoraan kalvon takaosasta tulevat ääniaallot toimivat päinvastoin.
Suoraan kalvon sivusta tulevat ääniaallot osuvat sekä etu- että takaosaan samanaikaisesti, jolloin ne eivät aiheuta paine-eroa eivätkä näin ollen kalvon liikettä!
Siten paine-gradienttiperiaatteella saadaan aikaan kaksisuuntainen tai ”kuvio 8” -napainen kuvio. Mikrofoni on herkkä edestä ja takaa tulevalle äänelle, kun taas se hylkii sivuilta tulevan äänen.
Lisätietoa kaksisuuntaisesta polaarikuviosta saat artikkelistani Mikä on kaksisuuntainen/kuva-8-mikrofoni? (With Mic Examples).
Combining Pressure & Pressure-Gradient
Usein kapselit suunnitellaan siten, että ne yhdistävät nämä molemmat periaatteet.
Suosituin mikrofonin napakuvio on kardioidikuvio. Tämä on periaatteessa paine- ja painegradienttiperiaatteiden suhde 1:1.
Rajoittamalla äänen kulkureittiä kalvon takaosaan valmistajat pääsevät taitavasti käsiksi molempien periaatteiden yhdistelmiin. Manipuloimalla ilman värähtelyn määrää kalvon kummallakin puolella saadaan aikaan erilaisia napakuvioita!
Jos haluat lisätietoja kardioidisesta napakuviosta ja kaikista muista mikrofonien napakuvioista, tutustu artikkeleihini Mikä on kardioidinen mikrofoni? (Polar Pattern + Mic Examples) ja The Complete Guide To Microphone Polar Patterns (Täydellinen opas mikrofonien polaarikuvioihin).
Face Of The Diaphragm: Top-Address Versus Side-Address
Toinen seikka kalvoista ja niiden kapseleista on se, miten ne osoitetaan. Toisin sanoen, mihin suuntiin mikrofonin kalvot osoittavat?
Kaksi yleisintä osoitetyyppiä ovat top-address ja side-address.
Top-Address
Shure on esillä seuraavissa My New Microphone -artikkeleissa:
– Top Best Microphone Brands You Should Know And Use
– Top Best Earphone/Earbud Brands In The World
– Top Best Headphone Brands In The World
Top-address-mikrofoneissa kalvot ovat ”päin” mikrofonin yläosaa. Tyypillisesti mikrofoni näyttää siltä, että se osoittaa siihen suuntaan, jossa se on herkin.
Tyypillisesti top address -mikrofonit rajoittuvat omnidirektionaalisiin ja kardioidityyppisiin napakuvioihin, koska on käytännössä mahdotonta saada kalvon molemmat puolet altistumaan tasaisesti äänenpaineelle.
Tyypillisiä esimerkkejä top address -mikrofoneista ovat Shure SM57 ja SM58 sekä Neumann KM 184 (linkkien avulla voit tarkastaa niiden hinnan Amazonista).
Side-Address
Neumann on esillä seuraavissa My New Microphone -artikkeleissa:
– Top Best Microphone Brands You Should Know And Use
– Top Best Studio Monitor Brands You Should Know And Use
Side-address-mikrofonit on suunniteltu siten, että niiden kalvot osoittavat ”sivulle”.” Kalvon ”etuosa” ja ”takaosa” osoittavat mikrofonien sivuille, jolloin mikrofoni on herkin sivusuunnista tulevalle äänelle.
Sivusuuntaisilla mikrofoneilla kaikki polaarikuviot on suhteellisen helppo saavuttaa. Tämä asetelma mahdollistaa myös kahden kalvon suunnittelun vastakkain, jotta voidaan luoda muuttuva monikuvioinen mikrofoni.
Yleisiä esimerkkejä side-address-mikrofoneista ovat Neumann U87, Rode NT1-A ja AKG C414 (linkkien avulla voit tarkistaa niiden hinnat Amazonista). U87 ja C414 ovat monikuvioisia mikrofoneja.
Liikkuvan kelan kalvo
Liikkuvan kelan kalvo koostuu itse asiassa kahdesta erillisestä osasta: itse kalvosta ja liikkuvasta kelasta. Koska ne on kuitenkin kiinnitetty toisiinsa, on hyödyllistä ajatella niitä yhtenä liikkuvana kappaleena. Liikkuvan kelan kalvoja esiintyy liikkuvan kelan dynaamisissa mikrofoneissa.
Kalvo/liikkuvan kelan yhdistelmä värähtelee ulkoisten ääniaaltojen vaikutuksesta. Kalvon tehtävänä on olla riittävän herkkä havaitsemaan ilmanpaineen vaihtelu sen kahden puolen välillä. Johtava kela vastaa tämän värähtelyn muuntamisesta äänisignaaliksi. Liikkuvan kelan kalvo ja kapseli toimivat muuntimena sähkömagneettisen induktion periaatteella.
Liikkuvan kelan kalvot ovat lähes kaikki muodoltaan pyöreitä, ja ne on pingotettu tiukasti mikrofonin kapselissa olevan kiinteän renkaan ympärille. Jännitys on ratkaiseva tekijä kalvon herkkyydessä saapuville ääniaalloille.
Tyypillisessä rakenteessa kela on noin puolet kalvon halkaisijasta. Näiden kahden elementin yhteys luo kalvoon pienen notkelman tai aallokon. Siksi kalvo ei ole täysin tasainen. Kalvoon voi myös olla leikattu pieniä lehtiuria ja ylimääräistä aaltoilua sen suorituskyvyn parantamiseksi korjaamalla kalvon ja kapselin rakenteeseen liittyviä luontaisia ongelmia.
Materiaali
”Liikkuva kela” (johon usein viitataan nimellä äänikela) on tyypillisesti valmistettu ohuesta kuparilangasta, joka on kääritty onton sylinterin muotoon. Liikkuvan kelan molemmin puolin on magneetteja, jotta sähkömagneettinen induktio olisi mahdollisimman suuri.
Itse kalvon ei tarvitse olla sähköä johtava lainkaan. Tyypillinen materiaali, jota käytetään kalvon valmistukseen, on polyesterikalvo (Mylar on yleinen tuotenimi). Tämä polyesterikalvo (muovilevy) on riittävän ohut ja vahva toimimaan tehokkaana kalvomateriaalina!
Kela on siis kiinnitetty kalvoon ja liikkuu siten sen mukana. Tämä lisäpaino vaikuttaa muutamaan asiaan kalvon kokonaisominaisuuksiin. Paino ja muoto tai liikkuvan kelan dynaamiset mikrofonit aiheuttavat yleensä seuraavia ominaisuuksia:
- Vähentynyt herkkyys korkeilla taajuuksilla.
- Resonanssitaajuus ihmisen kuulon kuuloalueella.
- Hitaampi transienttivaste kuin kondensaattori- ja nauhamikrofoneilla.
Lisätietoja liikkuvan kelan dynaamisista mikrofoneista löydät artikkeleistani Mikä on mikrofonin äänikela? ja Liikkuvan kelan dynaamiset mikrofonit: The In-Depth Guide.
Nauhamembraani
Nauhamembraani on ehkä mielenkiintoisin kalvotyyppi. Nauhamembraanit ovat pitkiä, ohuita, suorakaiteen muotoisia kalvoja, jotka on kiinnitetty kapseliinsa/baffeliinsa vain niiden pituuden kummaltakin puolelta. Ne ovat useimmiten aaltomaisia sen sijaan, että ne olisivat täysin litteitä, ja niihin kohdistuu suhteellisen pieni jännitys verrattuna liikkuvan kelan ja kondensaattorin kalvoihin.
Nauhamikrofoneja pidetään myös dynaamisina. Liikkuvan kelan mikrofonien tavoin nauhamikrofonit toimivat sähkömagnetismin periaatteella. Sen sijaan, että nauhamikrofonissa olisi erillinen kalvo ja yhteen sulautettu johtava kappale, nauhamikrofoni toimii kuitenkin molempina näinä elementteinä samanaikaisesti. Nauha liikkuu reaktiona sen taka- ja etupuolen väliseen äänenpaine-eroon. Nauhan ympärille on sijoitettu magneetteja, joten kun kalvo liikkuu, sähkömagneettinen induktio tuottaa äänisignaalin!
Materiaali
Nauhan kalvojen on oltava johtavia ja erittäin ohuita (tyypillisesti alle 5 mikronia). Alumiini soveltuu erinomaisesti näiden molempien tarpeiden täyttämiseen. Aallotettu alumiinifolio muodostaa monet markkinoilla olevat nauhamikrofonien kalvot. Jotkut valmistajat käyttävät nauhan pohjana vahvempia muovipolymeerejä ja päällystävät ne johtavalla alumiinilla. Toisinaan taas löydät alumiinifoliota, joka on päällystetty ohuella kultakerroksella. Kultakerros auttaa estämään nauhan hapettumista, kun taas kulta itsessään on alumiinia parempi johdin (ei vain yhtä vahva).
Herkkyys
Nauhamembraani on hauras. Tuulen puuskat ja potkurumpuihin ja jopa lauluääniin liittyvät ilmanliikkeet voivat venyttää kalvoa ja aiheuttaa pysyviä vaurioita. Phantomvirta, jos se lähetetään huonojen kaapeleiden tai liitäntöjen kautta, voi myös puhaltaa tai venyttää kalvoa. Luettelon lisäksi myös fyysiset traumat (mikrofonin putoaminen) vahingoittavat nauhakalvoa suurella todennäköisyydellä. On sanomattakin selvää, että nauhamikrofoneja käsiteltäessä ja äänitettäessä on noudatettava varovaisuutta. Hyvä uutinen on se, että usein korjaus vaatii vain mikrofonin ”uudelleen nauhoittamista”. Huono uutinen on, että korjauksen hinta voi nousta yli 350 dollariin.
Nauhamikrofonit ovat luonteeltaan sivuttaissuuntaisia, ja niiden polaarikuvio on kaksisuuntainen. Kaksisuuntaisen (figure-8) kuvion vuoksi niissä esiintyy myös eniten proximity-efektiä.
Mikrofonien proximity-efektiä käsittelevän syväluennan löydät artikkelistani In-Depth Guide To Microphone Proximity Effect.
Nauhamikrofonin kalvon ominaisuudet antavat nauhamikrofoneille (yleisesti ottaen) seuraavat ominaisuudet:
- Matalan kireyden ansiosta kalvon resonanssitaajuus jää reilusti alle ihmiskuulon kuuloalueen.
- Membraanin ohuus antaa tarkan transienttivasteen.
- Yleinen muoto ja muuntimen periaate antaa pehmeän, luonnollisen korkeiden taajuuksien roll-offin.
Lisätietoa dynaamisista nauhamikrofoneista löydät artikkelistani Dynaamiset nauhamikrofonit: The In-Depth Guide.
Kondensaattorin (kondensaattorin) kalvo
Kondensaattorimikrofonin kalvo on helpointa selittää yhdessä koko kapselin rakenteen kanssa.
Kondensaattorikapselit ovat pohjimmiltaan kondensaattoreita (kondensaattorista käytettiin ennen termiä kondensaattori). Kondensaattorin muodossa on kaksi rinnakkaista levyä, jotka on sijoitettu erilleen toisistaan. Kondensaattorimikrofonin tapauksessa nämä kaksi rinnakkaista levyä ovat:
- Kiinteä kiinteä taustalevy.
- Liikkuva etulevy, jota kutsutaan kalvoksi!
Kondensaattorit on suunniteltu pitämään varaus (Q), kun niihin syötetään jännite. Tasajännite syötetään useimmiten phantom-virran kautta (todellisten kondensaattorimikrofonien tapauksessa) tai se pidetään pysyvästi elektreettimateriaalissa levyissä (elektreettikondensaattorimikrofonien tapauksessa). Ihanteellisessa mallissa varaus (Q) pysyy vakiona.
Kondensaattorin antamaa audiosignaalia (vaihtojännitettä) mitataan kaavalla V = Q / C
Koska (Q) on vakio, audiosignaali (V) on kääntäen verrannollinen kapasitanssiin (C). Keskustellaan siis kapasitanssista.
Kapasitanssi on kondensaattorin kyky varastoida sähkövarausta. Kondensaattorikapselien kapasitanssi riippuu levyjen pinta-alasta, levyjen välisestä eristeestä (ilma) ja levyjen välisestä etäisyydestä. Näistä kolmesta vaikuttavasta tekijästä levyjen välinen etäisyys on ainoa muuttuva tekijä!
Kun kondensaattorin kalvo värähtelee, levyjen välinen etäisyys muuttuu, mikä johtaa vaihtelevaan vaihtojännitteeseen (audiosignaaliin)!
Materiaali
Kunnon kondensaattorin taustalevy on tyypillisesti valmistettu massiivisista metalliseoksista, kuten messingistä. Kalvolevy on usein valmistettu joko kultapölytetystä mylarista tai poikkeuksellisen ohuesta alumiinifoliosta.
Elektreettikondensaattorit on tyypillisesti valmistettu samasta materiaalista, mutta niiden toisen levyn päällä on elektreettipinnoite. ”Takaelektreetit” ovat tehokkaimpia, ja niiden takalevyjen päällä on ohut elektreettimateriaalipinnoite. Elektreettimateriaali voi olla mitä tahansa dielektristä materiaalia, myös muovia tai vahaa.
Kondensaattorimikrofonien yleinen erottelu on kalvon koon mukaan. Periaatteessa on kaksi leiriä: pienikalvokondensaattorit ja suurikalvokondensaattorit. Keskustellaan molemmista tarkemmin.
Pieni-kondensaattorikondensaattorit
Pieni-kondensaattorikondensaattorimikrofonit ovat tyypillisesti halkaisijaltaan alle 1 tuuman kokoisia, vaikkakin tämä on vain yleistys.
Pieni-kondensaattorikondensaattorit (SDC:t) rakennetaan tavallisesti ”kynä-mikrofonimikrofonin” muotoilulla, eli ne ovat ylhäältäpäin osoittavia mikrofoneja. Tästä syystä et yleensä löydä pienikalvoisia kaksi- tai monisuuntaisia mikrofoneja.
Pienempi kalvo tarkoittaa yleensä pienempää massaa. Tämä merkitsee suurempaa transienttivasteen tarkkuutta ja pidempää korkeiden taajuuksien vastetta. Koska kalvo on pienempi, myös kapseli voidaan suunnitella pienemmäksi, mikä mahdollistaa tasaisemman napavasteen.
Pienten kalvojen haittapuolena ovat alhaisemmat herkkyysarvot ja siten huonompi signaali-kohinasuhde. Kondensaattorikapselin lähtösignaali on verrannollinen kalvon ja taustalevyn väliseen etäisyyteen. Pienemmät kalvot eivät liiku yhtä pitkällä matkalla kuin suuret kalvot (tämän havainnollistamiseksi ajattelen mielelläni pieniä ja suuria trampoliineja). Koska herkkyys on pienempi, mikrofonielektroniikan itsekohina on voimakkaampi SDC:ssä kuin LDC:ssä samantasoisilla signaaleilla.
Suuren kalvon kondensaattorit
Suuret kondensaattorikalvot ovat tyypillisesti halkaisijaltaan vähintään 1 tuuman kokoisia, joskin tämä on vain yleistys.
Suuren kalvon kondensaattorit (LDC) rakennetaan tavallisesti sivuttaissuuntaisiksi mikrofoneiksi. Tämä mahdollistaa minkä tahansa polaarikuvion suunnittelun mikrofonikapseliin. On jopa mahdollista luoda monikuvioisia mikrofoneja suunnittelemalla kapseli, jossa on useita kalvoja.
Kalvon suurempi koko merkitsee suurempaa massaa. LDC-mikrofoneilla on matalat resonanssitaajuudet, jotka tyypillisesti luovat bassovahvistuksen bassotaajuusalueella. Kalvon suurempi koko tarkoittaa myös sitä, että sen siirtymä ääniaaltojen vaikutuksen alaisena on suurempi kuin SDC-vastineilla. Suurempi kalvon siirtymäalue tarkoittaa voimakkaampaa äänisignaalia, joten LDC-kaiuttimet ovat herkempiä kuin SDC-kaiuttimet. Äänekkäämpi ulostulo samalle äänenpainetasolle altistettuna antaa suurikalvokondensaattoreille paremman signaali-kohinasuhteen.
LDC- ja side-address-mikrofonien haittapuolena on se, että niiden suuret säleiköt mahdollistavat lyhyiden aallonpituuksien kimpoamisen säleikön kotelon sisällä. Jos näitä taajuuksia ei vaimenneta kunnolla, ne aiheuttavat epäsäännöllisen korkeiden taajuuksien vasteen.
Suurilla kalvoilla on muitakin haittapuolia. LDC-kalvojen koko ja massa heikentävät niiden herkkyyttä korkeille taajuuksille. Suurempi siirtymä, joka lisää herkkyyttä, itse asiassa haittaa suuren kalvon transienttivasteen tarkkuutta. Lisäksi kapselien on oltava suurempia, jotta ne voivat ottaa vastaan suurempia kalvoja. LDC-mikrofoneilla on taipumus olla vähemmän johdonmukaisia polaarikuvioissaan taajuusvasteissa verrattuna SDC-mikrofoneihin.
Toinen mielenkiintoinen huomio LDC-mikrofoneista on se, että jotkut kalvot ovat reunapäätteisiä, kun taas toiset ovat keskipäätteisiä. Reunapäätteinen tarkoittaa, että audiosignaali otetaan kapselin reunasta ja siten kalvo on yksi kokonainen kappale. Center-terminoitujen kalvojen elektrodit ovat kalvon keskellä. Teoriassa keskipäätteisillä kalvoilla on vähemmän resonanssitaajuuksia, mikä tarkoittaa, että niiden taajuusvasteet ovat vähemmän epätasaisia. Keskipäätteiset mallit ovat kuitenkin hieman monimutkaisempia.
Kerrataanpa vielä yleisesti pienten kalvokondensaattoreiden (SDC) ja suurten kalvokondensaattoreiden (LDC) välillä:
- SDC:t ovat vähemmän herkkiä kuin LDC:t
- SDC:llä on huonompi signaali-kohinasuhde kuin LDC:llä
- SDC:llä on voimakkaampi korkeiden taajuuksien vaste kuin LDC:llä
- SDC:llä on heikompi matalien-taajuusvasteet kuin LDC:llä
- SDC:llä on tarkemmat transienttivasteet kuin LDC:llä
- SDC:llä on johdonmukaisemmat polaarikuviot kuin LDC:llä
SDC:iden ja LDC:iden välisistä eroavaisuuksista on yksityiskohtainen selvitys, tutustu artikkeliini Large-Diaphragm Vs. Small-Diaphragm Condenser Microphones.
Kondensaattorimikrofonien yleiset ominaisuudet antavat kondensaattorimikrofoneille seuraavat ominaisuudet:
- Kondensaattorimikrofonin kevyt paino antaa kirkkaan ylätaajuusvasteen.
- Kondensaattorimikrofonin kireys ja ohuus antavat tarkan transienttisen vasteen.
- Yleinen muotti- ja transduktoriperiaate antaa lempeän luonnollisen korkeiden taajuuksien roll-offin.
Membraanin suorituskykyyn vaikuttavat tekijät
Keskustellaan tärkeimmistä tekijöistä, jotka vaikuttavat membraanin suorituskykyyn:
- Kalvon massa
- Kalvon muoto ja koko
- Kalvon jännitys
- Kalvon materiaali
- Johtokyky. kalvon
Kalvon massa
Kalvon massalla on suuri merkitys taajuus- ja transienttivasteiden määrittämisessä. Molemmat ovat mikrofonin kriittisiä ominaisuuksia.
Mikäli kalvo on painavampi, sitä matalampi on sen resonanssitaajuus. Resonanssitaajuudet tarjoavat vahvistuksen kalvon taajuusvasteeseen. Painavammat kalvot kärsivät myös kirkkauden puutteesta korkeilla taajuuksilla. Tämä johtuu inertiasta ja siitä, että korkeataajuisten ääniaaltojen on vaikea voittaa inertiaa.
Suurempien massojen myötä lisääntynyt inertio vaikuttaa myös kalvon siirtymävasteeseen. Mitä raskaampi kalvo on, sitä enemmän se vastustaa liikettä. Tämä vastustus ulkoisia ääniaaltoja vastaan huonontaa mikrofonin transienttivasteen tarkkuutta.
Kalvon muoto ja koko
Kalvon muoto ja koko vaikuttavat mikrofonin taajuusvasteeseen ja herkkyyteen.
Useimmat mikrofonikalvot ovat pyöreän muotoisia. Tämä pätee käytännössä kaikkiin liikkuvan kelan ja kondensaattorin kalvoihin. Nauhakalvot ovat muodoltaan kuin pitkät nauhakaistaleet.
Ympyränmuotoisissa kalvoissa halkaisija liittyy tiettyihin resonanssitaajuuksiin. Näiden resonanssitaajuuksien aallonpituus on yhtä suuri kuin halkaisijan pituuden kerrannaiset ja murto-osat. On helpointa havainnollistaa nämä resonanssitaajuudet kalvon halkaisijaa pitkin kuten seisovat aallot huoneessa. Aallonpituudet, jotka mahtuvat kalvon kehän halkaisijan rajoihin, interferoivat joko rakentavasti tai tuhoavasti keskenään. Konstruktiivinen ja destruktiivinen interferenssi vaikuttavat taajuuskohtaiseen herkkyyteen vastaavasti positiivisesti ja negatiivisesti.
Ympyränmuotoisen kalvon koko auttaa myös määrittämään mikrofonin herkkyyden. Jos kaikki muut tekijät ovat samat, mitä suurempi kalvo on, sitä suuremman matkan se voi siirtyä lepoasennosta (ajattele pientä vs. suurta trampoliinia). Mitä suurempi kalvon liike on, sitä enemmän äänisignaalia kapselista lähtee!
Nauhamikrofonin kalvo on muodoltaan pikemminkin pitkä, ohut suorakulmio kuin ympyrä. Tämä kalvon kaistale on myös aallotettu ja paljon pienemmän jännityksen alaisena kuin pyöreät vastineensa.
Ei-pyöreä muoto yhdistettynä aallotukseen saa aikaan sen, että nauhamikrofoneilla on hyvin vähän resonanssitaajuuksia. Ja ne taajuudet, jotka resonoivat, resonoivat heikosti. Tämä tekee taajuusvasteesta tasaisemman!
Kalvon kireys
Kalvon kireys vaikuttaa mikrofonin taajuusvasteeseen ja herkkyyteen.
Mikrofonin kireyden selittämiseksi paras analogia on pikkurumpu. Pikkurumpua viritettäessä rumpupään (kalvon) kireyden lisääminen kasvattaa rummun perus- ja resonanssitaajuuksia. Sama pätee myös mikrofonin kalvon kalvoon (tosin näitä ei lyödä rumpukepillä)!
Kun kaikki muut asiat pysyvät ennallaan, kireyden lisääminen lisää kalvon resonanssitaajuuksia. Pyöreiden kalvojen jännitys tuottaa tyypillisesti resonanssitaajuuden basso- tai subbassotaajuusalueella. Nauhakalvojen jännitys on tyypillisesti niin pieni, että niiden perusresonanssitaajuus on ihmisen kuulon kuuloalueen alapuolella!
Kalvon jännitys vaikuttaa myös mikrofonin herkkyyteen. Mitä tiukemmalle kalvo on vedetty, sitä pienempi siirtymä sillä on tietyllä äänenpainetasolla.
Kalvomateriaali
Kalvomateriaalilla on ratkaiseva merkitys määriteltäessä kalvon yleistä vastetta ääneen.
Kalvojen on oltava ohuita, liikuteltavia ja useimmiten johtavia. Kalvojen valmistuksessa käytettävällä materiaalilla on oltava suuri vetolujuus ja sen on kyettävä reagoimaan tarkasti äänenpaineen vaihteluun. Tämä vähentää kalvomateriaalin käyttökelpoisten vaihtoehtojen määrää.
Polyesterikalvo (Mylar on yleinen tuotenimi) on tehokas materiaali. Vaikka Mylar ei olekaan johtava, se on riittävän vahva ja joustava kalvomateriaaliksi. Liikkuvan kelan kalvot valmistetaan usein yksinomaan polyesterikalvosta, koska niiden ei tarvitse olla johtavia. Kondensaattorimikrofonien kalvot valmistetaan usein kullalla päällystetystä polyesterikalvosta, jotta tähän materiaaliin lisättäisiin johtava elementti.
Alumiinifolio on toinen usein käytetty materiaali kalvojen rakentamisessa. Alumiini on sekä vahvaa että johtavaa, ja se esiintyy useimmiten nauhamembraaneissa.
Membraanin johtavuus
Lisähuomautuksena membraanimateriaalista, johtavuudella on ratkaiseva merkitys mikrofonin toimivuuden kannalta. Kalvon/kapselin johtavuus on suoraan verrannollinen mikrofonin tehokkuuteen muuntimena.
Alumiini, kulta ja kupari ovat kolme yleisintä johtavaa materiaalia, joita käytetään mikrofonin kalvoissa.
Liikkuvan kelan kalvojen ei tarvitse olla johtavia. Kiinnitetyn kelan on kuitenkin oltava. Tällöin materiaalina käytetään kuparia.
Nauhakalvot valmistetaan yleensä alumiinifoliosta. Niissä on ainakin joko alumiini- tai kultapinnoite, jos niitä ei ole tehty alumiinifoliosta.
Kondensaattorikalvot on yleensä tehty polyesterikalvosta, jonka päälle on johdettavuussyistä laitettu kulta- tai elektreettimateriaalia.
Seuraavat kysymykset
Onko USB-mikrofoneissa samanlaiset kalvot kuin XLR-mikrofoneissa? Kyllä. Mitään erityistä ”USB-mikrofonin kalvoa” ei ole olemassa. USB-mikrofonien kapselit ja kalvot on rakennettu aivan kuten XLR-mikrofoneissa. Yleisiä USB-mikrofonien kalvo- ja kapselimalleja ovat liikkuvan kelan, nauhamikrofonin ja kondensaattorin mallit. Kalvolla ei ole mitään tekemistä audiosignaalin muuntamisen kanssa digitaaliseksi dataksi.
Tarvitseeko mikrofoni kalvoa? Kaikki käytännölliset mikrofonit tarvitsevat kalvoja toimiakseen tehokkaasti transduktoreina. On kuitenkin olemassa kokeellisia mikrofoneja, jotka on suunniteltu ilman kalvoja. Lasermikrofoni projisoi laserin altistuvan savuvirran läpi. Laseranturi havaitsee savun vaihtelut ja antaa äänisignaalin.