W ramach serii artykułów podzielę się swoimi doświadczeniami dotyczącymi nagłośnienia koncertowego w typowych warunkach, jakie można spotkać w polskich klubach. Opierać się będę o rozsądny poziom budżetowy (jak na polskie warunki), to znaczy nie będę mówił o instalacjach koncertowych dla 10000 fanów, ale o koncercie dla 100 osób. Mam nadzieję zainteresować osoby zaczynające, jak też mające za sobą pewne dokonania w tej branży. Liczę też na to, że pośród odbiorców znajdą się również muzycy, gdyż powinni oni zrozumieć ogólne zasady nagłaśniania, których wiedza na pewno zaowocuje lepszą współpracą z akustykami, a w efekcie lepszym poziomem ich występów.



Kable – balanced czy unbalanced

Każda instalacja teletechniczna jest oparta o urządzenia połączone mnóstwem kabli. Niezależnie od tego czy mamy do czynienia z alarmem, telewizją kablową czy siecią komputerową podstawowym połączeniem elektrycznym jest kabel miedziany, i póki co nie ma innej optymalnej cenowo alternatywy. W technice audio stosuje się dwa rodzaje kabli małosygnałowych, tj. kabli w których sygnał jest na poziomie <1V- są to kable ekranowane niesymetryczne i kable ekranowane symetryczne. Co to znaczy symetryczne i niesymetryczne (z ang. balanced i unbalanced). Otóż kabel niesymetryczny złożony jest z jednej żyły i ekranu. Żyła służy do transmisji sygnału, tak zwany przewód gorący, ekran natomiast stanowi siatkę drucianą oplatającą izolację żyły i mającą za zadanie eliminację zakłóceń elektromagnetycznych. Niestety przy stosowaniu długich połączeń tego typu efektywność ekranowania spada, co objawia się dużym poziomem np. przydźwięku sieciowego.

Dodatkowo taki rodzaj połączeń nie jest odporny na zakłócenia typu impulsowego. Odpowiedzią na tego rodzaju problemy jest kabel symetryczny. Jest on złożony z dwóch żył i ekranu. Cała sztuczka polega na tym, że w jednej żyle transmitujemy sygnał z fazą dodatnią , a w drugiej żyle z fazą ujemną (sygnał odwrócony). Ekran podobnie, jak poprzednio ma za zadanie eliminację zakłóceń. Więc, w czym tkwi tajemnica? Na początku trzeba powiedzieć jasno, że aby skorzystać z właściwości kabla symetrycznego trzeba stosować źródła sygnału symetrycznego i odbiorniki sygnał symetrycznego!!! Bez tego efekt zwiększonej odporności na zakłócenia znika, tj. mamy sytuację jak z kablem niesymetrycznym. Otóż zasada działania takiego połączenia jest oparta o odejmowanie sygnałów transmitowanych w odbiorniku. W przypadku braku zakłóceń sygnał wynikowy Uwyj=U1-(-U1), bo w przeciwfazie, zatem Uwyj=2*U1. Gdy pojawi się zakłócenie zaindukuje się ono w obu żyłach z tą sama fazą! Zatem w odbiorniku otrzymamy napięcie Uwyj=U1+zakl-(-U1+zakł), co daje w efekcie Uwyj=2*U1 – zakłócenie zostało wyeliminowane.


Gdzie stosujemy kable symetryczne i niesymetryczne: Kable niesymetryczne stosujemy tam gdzie mamy do czynienia z dużym poziomem sygnału i niewielkimi długościami kabli (3-5m), zatem podłączamy nimi gitary, elektroniczne instrumenty klawiszowe. Elementy domowego HI-FI czy kina domowego też są połączone tego typu kablami. Poziom sygnału tych źródeł dochodzi do 0 dB. Kable symetryczne stosujemy wszędzie indziej, to znaczy do podłączania mikrofonów (bardzo mały sygnał rzędu mV) i tam gdzie mamy dłuższe połączenia, np. konsoleta oddalona o 20m. Wszystko byłoby już idealnie, ale jak podłączyć klawisz bezpośrednio do takiej konsolety? Otóż w tym celu stosujemy di-box (ang. direct box). Jest to urządzenie przetwarzające sygnał niesymetryczny na symetryczny. Schemat blokowy takiego urządzenia pokazano na rysunku (aktywny). W wersji pasywnej jest to specjalny transformator.





A co z mikrofonami?

Wszystkie profesjonalne mikrofony mają standardowo wyjście symetryczne (XLR). Złącza jakie wykorzystujemy do połączeń symetrycznych to JACK’i stereofoniczne (3) (TRS – ang. tip-ring-sleeve) oraz XLR (1,2,4,5). To gdzie zastosujemy XLR, a gdzie JACK jest już kwestią drugorzędną i zależy bardziej od właściwości łączonych urządzeń. Nie mniej przy zastosowaniach scenicznych lepiej sprawują się XLR’y zaopatrzone w zapadki (5) uniemożliwiające przypadkowe wyrwanie kabla. Istnieją na rynku także gniazda łączące w sobie XLR i JACK’a (4). W życiu zdarzają się sytuacje, że musimy podłączyć jakieś źródło symetryczne do odbiornika z wejściem niesymetrycznym lub odwrotnie. Należy wtedy połączyć żyłę (-) w przeciwfazie do masy (ekranu). Trzeba wtedy zwrócić uwagę na jakość używanego kabla. Niektórzy producenci kabli stosują przy produkcji kabla symetrycznego (ang. microphone cable) gorszy ekran (jakość ekranu określa się w procentach , np. 60%) niż do kabla niesymetrycznego (ang. instrument cable). Wtedy połączenie obu żył lub połączenie jednej żyły z ekranem daje gorsze rezultaty niż użycie kabla niesymetrycznego!!! Często w zastosowaniach scenicznych używa się kabla wielożyłowego potocznie zwanego „pyta” (ang. snake, multicore). Używając takiego kabla unikamy plątaniny kabli łączących poszczególne mikrofony i/lub instrumenty elektryczne z konsoletą, skupiając wszystkie połączenia na scenie w STAGE-BOX’ie (skrzynka z gniazdami montowana na scenie).

PHANTOM – zasilanie mikrofonów

W zastosowaniach scenicznych jak i studyjnych realizatorzy wykorzystują mikrofony pojemnościowe, wymagające dodatkowego, zewnętrznego zasilania. W przypadku stosowania jednego bądź dwóch mikrofonów sprawa byłaby prosta, bo dodatkowy zasilacz nie byłby kłopotem, natomiast kiedy mamy np. 5 i więcej to powstawałaby plątanina kabli. Opracowano w tym celu system zasilania phantomowego mikrofonów (ang. phantom – upiór, widmo) przy wykorzystaniu okablowania symetrycznego. Biegun dodatni zasilania doprowadza się za pomocą dwóch żył sygnałowych (+) i (-), a masę za pomocą ekranu. W ten sposób po stronie mikrofonu mamy zasilanie, które separujemy o sygnału rezystorami. Żeby pozbyć się składowej stałej na wejściu preamp’u lub konsolety wystarczy odjąć sygnały jak w przypadku zakłóceń. Gdy podłączamy mikrofon dynamiczny zasilanie to nie powoduje dodatkowych kłopotów. Poziom wymaganego zasilania jest zawsze sprecyzowany w instrukcji mikrofonu. Większość konsolet dostarcza +48V, co jest wystarczające.

Oprócz mikrofonów można wykorzystać phantom do zasilania aktywnych di-box’ów (jeśli są odpowiednio skonstruowane), co eliminuje stosowanie baterii lub zewnętrznych zasilaczy. Gdy konsoleta nie ma opcji zasilania PHANTOM (z reguły starsze bądź najtańsze modele) można zakupić zewnętrzny zasilacz często wraz z wbudowanym preamp’em.



Wzmacniacz i kolumny – serce systemu


Systemy nagłaśniające można budować w różny sposób w zależności od mocy jaką mają dostarczać, ilości sekcji oraz sprawności. W warunkach klubowych sprawdzają się już najprostsze systemy, o ile pewien zapas mocy zostanie przewidziany podczas dokonywania zakupów. Często niestety sprzęt dyskotekowy jest za słaby do robienia rockowych koncertów.

Kupując wzmacniacz od razu należy się zastanowić jakiej mocy będą kolumny, czy będą one zasilane z jednego wzmacniacza czy też przewidujemy większą ilość wzmacniaczy i kolumn. Dobór kolumn do wzmacniacza wydaje się być sprawą prostą 1000W wzmacniacz do 1000W kolumny. I tak mogłoby być ale..... Moc dostarczana przez wzmacniacz zależy od obciążenia czyli ilości ohmów kolumny – im mniej ohmów tym więcej mocy. Niestety dla każdego wzmacniacza jest określona wartość minimalna, której przekroczenie może skończyć się uszkodzeniem wzmacniacza lub/i kolumny. Trzeba też mieć świadomość, że nie jest to zależność proporcjonalna np. stereo 8ohm 2x590W, stereo 4ohm 2x1000W, stereo 2ohm 2x1650W (przykład z karty katalogowej) i trzeba ją sprawdzić dla konkretnego modelu.

Moc kolumn może być podawana różnie – zależy to od podejścia marketingowego firmy: jedne firmy podają moc RMS, tj. skuteczną (ang. root-mean-square) inne podają tzw. moc muzyczną. Moc skuteczna RMS dla głośnika oznacza taką moc elektryczną prądu zmiennego jaką można dostarczać ciągle przez pewien dłuższy czas (rzędu 1 – 3 godzin). Oznacza to, że przy takim pobudzeniu głośnik będzie się grzał (straty termiczne są spowodowane małą sprawnością energetyczną głośników) nie powodując uszkodzenia cewki. Jednakże sygnały zawierające muzykę mają zmienną amplitudę i ciepło wydziela się nieregularnie. Możliwe jest zatem dostarczenie większej mocy przez krótki okres czasu, tak aby głośnik nie rozgrzał się za mocno. Łącząc te dwa fakty widać, że można dostarczyć większą moc, o ile jest to sygnał o statystyce sygnału muzycznego. Niektóre współczesne głośniki mogą chwilowo wytrzymać nawet podwójną „dawkę” mocy. Trzeba też pamiętać, o fakcie, że sygnał nie może być w takich wypadkach przesterowany! Przesterowanie końcówki mocy powoduje, że energia jest zwiększana poprzez wzrost energii zawartej w wyższych harmonicznych, a nie poprzez wzrost amplitudy samego sygnału.

Zatem jeśli kolumna ma podaną moc muzyczną np. 500W i impedancję 8 ohm to wzmacniacz maksymalnie powinien być w stanie dostarczyć 500W przy 8 ohmach. W sytuacji, gdy podana jest moc RMS można przyjąć, że wzmacniacz 700W nie powinien spowodować uszkodzeń, zakładając, że nikt nie poda sygnału sinusoidalnego przez dłuższy czas, ani nie przesteruje końcówki!!! Aby zabezpieczyć się przed przesterowaniem końcówki mocy powinny mieć wbudowany limiter sygnału.

Na rynku dostępne też są kolumny aktywne, czyli głośniki i wzmacniacz w jednej obudowie. Wtedy nie ma problemu z dobieraniem mocy – robi to za nas producent. Pośród systemów aktywnych coraz bardziej popularne są systemy z aktywnym subwooferem. Systemy te budowane są z uwzględnieniem tego, że moc sygnału audio maleje wraz ze wzrostem częstotliwości (mowa o sygnale elektrycznym). Tak więc subwoofer musi mieć moc większą od sekcji średnio i wysokotonowej – wartość ta wskazuje na moc systemu. Podobne zależności występują przy budowie kolumn HiFi.



Teraz kilka słów o łączeniu kolumn. Załóżmy, że mamy 4 kolumny 500W mocy muzycznej o impedancji 4 Ohmy i jeden wzmacniacz o parametrach stereo 8ohm 2x590W, stereo 4ohm 2x1000W, stereo 2ohm 2x1650W. W tej sytuacji dla obu kanałów łączymy kolumny szeregowo – obciążenie wyniesie 8 Ohmów, a moc rozłoży się po równo czyli maksymalnie 295W na kolumnę.

Gdyby połączyć je równolegle uzyskalibyśmy impedancję 2 Ohmy i wzmacniacz mógłby dostarczyć 1650W a moc sumaryczna kolumn wynosi 1000W (muzycznej) – sytuacja jest o tyle niebezpieczna, że podanie sygnału 0dB na wzmacniacz z dużym prawdopodobieństwem uszkodzi kolumny. Łączenie kolumn o różnej impedancji i mocy wymaga znajomości prawa Ohma i zasad wyliczania impedancji sumarycznej.



Konsoleta – centrum sterowania

Chyba nie trzeba tłumaczyć nikomu, że bez konsolety nie byłoby realizacji. Konsoleta umożliwia regulowanie proporcji, barwy oraz umożliwia rozdzielić sygnał pomiędzy dodatkowe urządzenia. W konsolecie można wyróżnić kilka podstawowych sekcji, w ramach których można spotkać różne rozwiązania proponowane przez poszczególnych producentów. W związku z czym zanim zaczniemy pracę warto przejrzeć instrukcję obsługi, a w szczególności schemat, który jednoznacznie rozwieje wszelkie niejasności co do możliwości danego modelu.
 

·  Sekcja preampu
W sekcji preamp’u mamy gniazda wejściowe – jedno mikrofonowe i jedno liniowe – różniące się czułością. Umożliwia to podłączenie do kanału za równo mikrofonów jak i źródeł o większym poziomie sygnałów (np. CD, gitara). Konstrukcja wyklucza korzystanie z obu wejść na raz. Następnym elementem jest wzmacniacz z regulacją wzmocnienia (z ang. gain). Jest to pierwsza (z reguły blisko gniazda) gałka na mikserze. Służy do dopasowania poziomu sygnału do toru audio konsolety. Poziom ten ustawia się raz na próbie, aby uzyskać maksymalny odstęp sygnału od szumu bez przesterowania kanału. Zaraz obok mamy (w najprostszym modelach może nie występować) przycisk aktywujący bądź dezaktywujący filtr dolnoprzepustowy. Jego częstotliwość graniczna wynosi 80Hz (może być trochę inna) i służy do wyeliminowania dolnych częstotliwości z sygnału. Ma to znaczenie tam, gdzie instrument nie emituje dźwięków tak niskich a powstaje dźwięk „buczący” lub też można wyeliminować częściowo przydźwięk sieciowy. W przypadku mikrofonów wycina część niskich częstotliwości związanych z wymawianiem głosek wybuchowych np. p, b.

·  Sekcja korekcji
W tej sekcji mamy zestaw filtrów umożliwiających korekcję i uwypuklenie cech dźwięku w zależności od smaku realizatora i/lub potrzeb przedstawienia. Z reguły mamy do czynienia z 3, 4 punktową korekcją pasma umożliwiającą regulację w zakresie ± 15dB. Podział częstotliwości jest sprawą indywidualną zależną od modelu nie mniej górne częstotliwości są odcinane przy częstotliwości 10-12KHz, dolne 150 – 80 Hz, a środkowe w zależą od tego czy dysponujemy 2 czy 1 filtrem w tym paśmie. Nie zależnie od tego filtry górnoprzepustowy (HPF ang. high pass filter) i dolnoprzepustowy (LPF ang. low pass filter) mają charakterystykę typu shelf (z ang. półka). Oznacza to, że poziom sygnału powyżej częstotliwości granicznej w przypadku filtru HPF i poniżej częstotliwości granicznej w przypadku filtru LPF nie zmienia się. Filtry „środkowoprzepustowe” (pasmowoptrzepustowe- BPF – z ang. band pass filter) mają z reguły określoną częstotliwość środkową, a amplituda powyżej lub poniżej tej częstotliwości zmienia się (typ peak). Warto tu zauważyć, że producenci stosują 2 różne rodzaje filtrów – ze stałą częstotliwością środkową i ze zmienną częstotliwością środkową. Pierwsze rozwiązanie jest dużo prostsze – regulacja polega tylko na zmianie poziomu sygnału w danym paśmie (1 pokrętło na filtr). Drugie rozwiązanie daje możliwość manualnego wybrania częstotliwości środkowej (2 pokrętła na filtr – poziom i częstotliwość). To drugie rozwiązanie daje realizatorowi większą swobodę przy kreacji barwy, wymaga to też nieco więcej doświadczenia w stosunku do filtru ze stałą częstotliwością.

 W nieco droższych modelach analogowych i w konsoletach cyfrowych są stosowane filtry z regulowaną dobrocią. Dobroć oznacza jak wąskie jest pasmo wokół częstotliwości środkowej. Duża dobroć oznacza wąskie pasmo, mała dobroć szerokie pasmo.

·  PEAK-wskaźnik przesteru , INSERT, DIRECT
W większości konsolet, choć nie we wszystkich, mamy do dyspozycji diodę wskazującą nam czy kanał został przesterowany. Z reguły pomiar jest dokonywany zaraz za korektorem częstotliwości, gdyż zbyt duże wzmocnienie np. +12 dB w środkowym paśmie może zniekształcić sygnał powodując trzeszczenie / charczenie w kanale. Wtedy należy zmienić ustawienia korektora lub zmniejszyć wzmocnienie w preamp’ie. W modelach profesjonalnych wskaźnik może monitorować poziom z kilku miejsc toru. Gniazdo INSERT jest to miejsce przerywające fizycznie tor audio umożliwiając włączenie w szereg jakiegoś efektu lub procesora dynamiki. Przerwanie toru jest realizowane dopiero po włączeniu wtyku w gniazdo. Aby wykorzystać tą możliwość należy zaopatrzyć się w specjalny kabel - kabel insertowy lub też w kabel stereofoniczny z rozdziałem na kanał lewy i prawy. Gniazdo DIRECT nie jest standardowym wyposażeniem i jest używane w celu przesłania sygnału z poszczególnych kanałów na urządzenia typu rejestrator wielośladowy, bądź można je wykorzystać do sterowania światłami np. jedno ze świateł może być wyzwalane uderzeniem stopy w perkusji. Direct’y można też wykorzystywać jako spliter (rozdzielacz) sygnału.

·  PAN, AUX i FADER potocznie zwany heblem
PAN czyli panorama umożliwia regulację proporcji dźwięku między lewym i prawym kanałem. AUX’y zwane potocznie posyłkami umożliwiają tworzenie niezależnych miksów monofonicznych w celu sterowania nimi dodatkowych urządzeń np. procesor pogłosu. Ilość niezależnych miksów zależy od ilości wyjść AUX – 1,2,3 i 4 w zależności od modelu i wielkości konsolety (im miej kanałów tym z reguły mniej AUX’ów). Mamy dwa rodzaje posyłek: przed i po Faderz’e (pre i post). Różnica polega na tym, że poziom sygnału AUX’a typu PRE nie zależy od położenia suwaka FADER, natomiast posyłka POST zależy, tj. jeśli pokrętło posyłki ustawimy na 0dB i ściszymy FADER maksymalnie to na wyjściu AUX nie powinno nic się pojawić, a w przypadku typu PRE będziemy mieli sygnał o poziomie 0 dB.

Posyłki typu POST stosujemy do sterowania efektów dołączanych równolegle, wtedy gdy ściszamy dany kanał korespondujący z tym kanałem efekt zmniejsza swoją intensywność proporcjonalnie. Niektóre konsolety są zaopatrzone w tzw. powroty (ang. return) z efektów oraz regulację poziomu posyłki zsumowanej i regulację poziomu powrotu.

Głównym zastosowaniem posyłki typu PRE jest sterowanie monitorami scenicznymi. Każda z linii monitorowych może mieć różne proporcje pomiędzy instrumentami niezależnie od miksu głównego sterującego nagłośnieniem sali, zmiany proporcji miksu głównego nie wpływają na to, co słyszy osoba występująca. Typ pracy posyłki jest wybierany przyciskiem koło pokrętła dla każdego kanału niezależnie. Trzeba też mieć świadomość, że z reguły nie wszystkie posyłki mają możliwość zmiany typu pracy PRE/POST. FADER jest to jeden z najważniejszych regulatorów na konsolecie. Tym potencjometrem regulujemy proporcje pomiędzy kanałami konsolety w celu uzyskania właściwych proporcji pomiędzy instrumentami w zespole. Razem z FADER’em współpracuje przycisk ON, włączający bądź wyłączający kanał z miksu głównego. Narzędziem pomocniczym jest grupa (ang. group), pozwalająca wydzielić z miksu kilka kanałów i regulować sumę tych kanałów za pomocą jednego suwaka. Grupa może być posyłana na niezależny tor odsłuchowy/nagłośnieniowy, bądź sumowana do miksu. Zasada działania różnych modelów może się nieco różnić, ale w większości grupa i miks główny współistnieją niezależnie i w przypadku dodawania grupy do miksu głównego albo kanały kierujemy do grupy albo miksu – nie jednocześnie do grupy i do miku, gdyż w miksie zdublują się oba niepotrzebnie. W większych konsoletach mogą być aż 4 grupy, w mniejszych 1 lub dwie (w najmniejszych nie ma w ogóle).
 

Koło FADER’a w każdym kanale powinien się jeszcze znajdować przycisk PFL (ang. prefader listen). Umożliwia on odsłuchanie na słuchawkach poszczególnych kanałów. Jest to bardzo ważna opcja umożliwiająca realizatorowi lokalizację i zdiagnozowanie problemu podczas występu np. sprawdzenie czy do danego kanału konsoli jest podłączony ten instrument co powinien – co w praktyce zdarza się.

·  Sekcja wyjściowa
Sekcja wyjściowa może nie jest tak bardzo skomplikowana, nie mniej tą częścią konsolety trzeba też sprawnie operować. Mamy tu suwak sumy, czasem nazywany MASTER, jeśli są grupy to mamy suwaki poziomu poszczególnych grup wraz z przyciskami przyłączającymi grupy do miksu (każda grupa ma osobny). Ta część konsolety ma dwa zadania – sterowanie systemem nagłośnienia oraz sterowanie odsłuchem. Każda, nawet najmniejsza konsoleta ma wyjście CTRL-ROOM (z ang. pokój kontrolny), umożliwiające odsłuchanie poszczególnych kanałów (PFL), odsłuchanie grupy, miksu na niezależnym zestawie np. monitorach lub słuchawkach. Konsoleta ma dodatkowy regulator głośności oraz dodatkowe przyciski zmieniające odsłuchiwany kanał. Z odsłuchem dla realizatora z reguły jest skorelowany wyświetlacz poziomu sygnału, tj. zawsze pokazuje poziom sygnału aktualnie odsłuchiwanego. Powinno też znaleźć się pokrętło 2TR (second-track), czyli regulator umożliwiający dołączenie np. odtwarzacza CD nie zajmując cennych kanałów.

Producenci coraz częściej dołączają 7-i więcej punktowy korektor graficzny oraz procesor efektów okupujący najczęściej jedną z posyłek (AUX). W dobie rozwoju cyfrowego przetwarzania sygnałów wraz z korektorem graficznym sprzężony jest często detektor sprzężeń zwrotnych wskazujący od razu pasmo, na którym występują problemy.

·  POWERMIKSER ?
Na koniec tego odcinka chciałbym przedstawić moją ocenę przydatności tego urządzenia w nagłaśnianiu koncertów. Dla tych, którzy nie wiedzą jeszcze, co to jest wyjaśniam; jest to urządzenie łączące w sobie mikser i wzmacniacz mocy. Jak w przypadku większości urządzeń na rynku łączących w sobie wiele funkcji, jakość poszczególnych składowych jest niższa w porównaniu do sprzętu bardziej specjalizowanego. Moce osiągane przez te urządzenia są trochę za małe do organizowania imprez w większych salach, a w szczególności koncertów rockowych. Sekcja miksera jest mniejsza i daje znacznie mniej możliwości manipulacji dźwiękiem. Ponad to używanie powermiksera z dala od kolumn jest nieco niekorzystne ze względu na wygodę pracy oraz straty mocy na kablach kolumnowych. Problem jest z reguły z tym, że większość klubów ma tylko powermiksery, bo są one tańsze od zakupu osobno konsolety i wzmacniacza. Jeśli już dochodzi do tego, że muszę na czymś takim pracować ograniczam się do użycia tego jako końcówki mocy. Powermikser ma też zalety! Możemy szybko łatwo zorganizować jakąś publiczną pogadankę lub spotkanie, mały, kameralny koncercik, np. gitara + wokal. Ale jeśli macie środki finansowe pomińcie ten punkt na liście swoich zakupów.


Adam Michalski

W tym odcinku będę kontynuował zapoznanie z narzędziami pracy akustyka, takimi jak mikrofony i efekty – procesory dźwiękowe. Mam tu na celu zaznajomienie Was z ich budową (ogólnie), co umożliwi Wam efektywne ich wykorzystanie w pracy nad dźwiękiem oraz zrozumienie czemu są one podłączane w tych, a nie innych miejscach systemu.


Mikrofony – nasze podstawowe narzędzie pracy

Mikrofony to urządzenia pozwalające na przetworzenie części energii fal akustycznych do niego docierających na energię elektryczną. Oczywiście nie chodzi nam o walory sprawnościowe-energetyczne, choć te mogły by być lepsze, jednakże zależy nam na możliwie wiernym odtworzeniu sygnału po stronie elektrycznej. Można by tu też przytoczyć całą złożoną naturę tego urządzenia wraz z opisem mechaniczno-elektrycznym, ale nie ma specjalnego zastosowania w samym procesie realizacji, gdzie i tak z reguły korzysta się z tego co się ma , a nie z tego co by się chciało mieć!

Budowa

Spośród używanych mikrofonów do realizacji koncertów i przedstawień można wskazać dwie charakterystyczne konstrukcje: mikrofon dynamiczny i mikrofon pojemnościowy.

Mikrofon dynamiczny zbudowany jest z membrany, do której jest przymocowana cewka – zwoje drutu miedzianego o bardzo małej średnicy. Sama cewka jest umieszczona w magnesie, a raczej w szczelinie wykonanej w materiale ferromagnetycznym (ostatnio popularnym materiałem jest magnes noedymowy, ze względu na właściwości - jest to po prostu silny magnes). Zasada działania opiera się o prawo Faraday’a . Otóż fala akustyczna powoduje wibrowanie membrany, a ponieważ do membrany przymocowana jest cewka to i ona wibruje. Prawo Faraday’a mówi, że jeżeli przewód porusza się w polu magnetycznym to zaczyna w nim płynąć prąd. A w naszej sytuacji mamy zwoje drutu i pole wytwarzane przez magnes – więc prąd płynący w nim jest proporcjonalny do fali akustycznej, np. głosu mówcy.

Chciałbym tu dodać, że prawo to działa w drugą stronę, tj. jeżeli w przewodzie znajdującym się w polu magnetycznym płynie prąd to zacznie na niego działać siła powodująca ruch. Tak właśnie działają głośniki! Swoim wyglądem mikrofony dynamiczne przypominają słuchawkę od walkmana.

Mikrofon pojemnościowy jest także zbudowany z membrany, lecz tym razem membrana stanowi okładzinę kondensatora . Druga okładzina jest na stałe zamocowana. Aby w ogóle mikrofon działał musimy naładować ten kondensator ładunkiem elektrycznym. Fala akustyczna powodująca wibrację membrany powoduje zmiany (cykliczne) odległości między okładzinami, a to z kolei powoduje zmiany pojemności tegoż kondensatora. Zmiany pojemności przy stałym ładunku powodują zmiany napięcia na kondensatorze, a więc znów sygnał elektryczny jest proporcjonalny do fali akustycznej. Pośród mikrofonów pojemnościowych można znaleźć mikrofony elektretowe. Są to takie mikrofony, które fabrycznie są naładowane ładunkiem i nie trzeba ich ładować. Oczywiście nikt nie ładuje osobiście kondensatorów w mikrofonach – robią to za nas specjalne układy elektroniczne. Dlatego właśnie potrzebne jest dodatkowe zasilanie (PHANTOM) takiego mikrofonu. Oprócz tego wszystkie mikrofony mają w sobie wbudowany przedwzmacniacz, który też musi mieć zasilanie, dlatego nawet elektretowe mikrofony muszą mieć zasilanie – często bateryjne, lub PHANTOM w zależności od modelu.


Charakterystyki kierunkowe, charakterystyka częstotliwościowa, czułość

Czułość mikrofonu mówi nam o tym, jaki będzie sygnał elektryczny, wytwarzany przez mikrofon w odniesieniu do jednostkowego pobudzenia akustycznego jakim jest Pa (Pascal, jak w prognozie pogody) akustyczny. Oczywiście wiadomo powszechnie, że mikrofony pojemnościowe są bardziej czulsze od dynamicznych. Są też dużo droższe i bardziej delikatne. Co w zastosowaniach scenicznych ma swoje praktyczne odbicie. Różnica czułości wynika z mechanicznej budowy, tj. membrana mikrofonu pojemnościowego jest cieńsza i lżejsza od membrany mikrofonu dynamicznego dociążonego cewką. Czułość 2-2,5 mV/Pa mają mikrofony dynamiczne, natomiast pojemnościowe mają od 4 do 10mV/Pa – typowe sceniczne, aż nawet do 20-40 mV/Pa studyjne.

Charakterystyka kierunkowa (kierunkowość) jest to opis dający nam informację o czułości mikrofonu w odniesieniu do przestrzeni wokół niego, tj. wskazuje nam kierunek, z którego źródło będzie najlepiej słyszalne. Oczywiście opis ten powinien być trójwymiarowy, natomiast ze względu na symetrię osiową mikrofonów producenci podają tylko charakterystykę w płaszczyźnie mikrofonu. Typowe charakterystyki kierunkowe to dookólna (ang. omni-directional), nerkowa/kardioidalna (ang. cardioid), superkardioidalna(ang. supercardioid) i ósemkowa (ang. figure eight). Są jeszcze inne, ale są one rzadko stosowane na scenie, np. mikrofony silnie kierunkowe typu shot-gun



stosowane przez reporterów. Na rysunku przedstawiono kształty tych charakterystyk. Widać, że mikrofony dookólne zbierają dźwięki dookoła siebie równomiernie, natomiast ósemkowe tylko na tzw. osi akustycznej. Jako to się dzieje? Otóż odpowiednio formując membranę, a tak naprawdę formując obudowę. Ponieważ membrana reaguje na ciśnienie akustyczne możemy fale akustyczną „dopuścić” tylko z jednej strony, wtedy mikrofon reaguje na lokalne (punktowe) ciśnienie niezależnie od kierunku rozchodzenia się fali akustycznej. Tak właśnie buduje się mikrofony dookólne (ciśnieniowe). Charakterystykę ósemkową uzyskujemy dając dostęp fali akustycznej z obu stron membrany. Wtedy membrana drga tylko zgodnie z różnicą ciśnień po obu stronach membrany – oś akustyczna jest prostopadła do płaszczyzny membrany. Na różnicę wzdłuż płaszczyzny membrany nie reaguje – i stąd charakterystyka ósemkowa. Pozostałe charakterystyki są złożeniem tych dwóch charakterystyk, np. nerka powstaje poprzez dodanie obu 1:1. W praktyce często jest to jedna membrana z tym , że obudowa posiada otwory od tyłu membrany.


Dlatego też często chwytanie kapsuły mikrofonu powoduje niezrozumiałe sprzężenie. Otóż trzymając mikrofon zbyt blisko kapsuły blokujemy dostęp fali akustycznej z tej strony zmieniając w ten sposób kierunkowość mikrofonu z supernerki na nerkową lub nawet dookólną. W droższych mikrofonach studyjnych możemy zmieniać charakterystyki. Tam zamiast obudowy mikrofon na dwie membrany i odpowiednio sumując sygnał uzyskujemy różne charakterystyki kierunkowe. Wszystko by było piękne i proste, ale niestety fale akustyczne słyszalne mają długość fali od 15 m (niskie częstotliwości) do 1,5 cm (wysoki częstotliwości), jest to dość duży zakres zmian. Wiemy też, że wysokie tony są bardziej kierunkowe niż średnie tony, a niskie tony uważa się za bezkierunkowe (rozchodzą się we wszystkich kierunkach tak samo). Zatem nie jest niczym dziwnym, że charakterystyka kierunkowa mikrofonów zmienia swój charakter wraz z częstotliwością!!! Jeżeli np. weźmiemy typowy mikrofon superkardioidalny (np. dynamiczny dla wokalisty) to dla niskich częstotliwości wykazuje on charakterystykę nerkową, a dla wysokich częstotliwości staje się kierunkowy!!!


Charakterystyka częstotliwościowa opisuje nam czułość mikrofonu w odniesieniu do częstotliwości sygnału akustycznego. Oczywiście ideałem jest płaska charakterystyka w całym paśmie akustycznym – wszystkie częstotliwości są odbierane tak samo, nie mniej okazuje się, że podbicie w górnym paśmie, bądź obcięcie w dolnym paśmie są często pożądane – np. większość dynamicznych mikrofonów ma podbicie w okolicach 7 kHz nadając mowie wyrazistości (presence), a obcięcie dołu eliminuje dość znacznie odgłos oddychania wokalisty (większość studyjnych mikrofonów ma opcję roll-off – obcięcie pasma poniżej np. 100Hz). W praktyce spotyka się mikrofony dedykowane do pewnych grup instumentów, np. do perkusji, instrumentów dętych, do wzmacniaczy gitarowych, których charakterystyki wcale nie są liniowe, natomiast podkreślają brzmienie danych instrumentów, a dodatkowo wyposażone są w poręczne mocowania. Porównując kolejny raz mikrofony dynamiczne i pojemnościowe znów zasadnicze różnice w paśmie wynikają z elektromechanicznych właściwości ustrojów. I z tego powodu większość mikrofonów dynamicznych nie będzie pracować powyżej około 17kHz, ani też nie ma możliwości pracować z najniższymi częstotliwościami, co oczywiście może mikrofon pojemnościowy.


Efekt zbliżeniowy, filtracja grzebieniowa

Efekt zbliżeniowy jest to zjawisko występujące w mikrofonach kierunkowych. Polega ono na tym, że wraz ze zmniejszaniem odległości pomiędzy źródłem dźwięku a mikrofonem rosie podbicie dolnego pasma mikrofonu. Efekt ten rośnie wraz z kierunkowością mikrofonu, tj. efekt zbliżeniowy jest bardziej słyszalny przy używaniu mikrofonu superkardioidalnego względem kardioidalnego. Mikrofony dookólne nie wykazują tej właściwości. Przyczyną tego zjawiska jest złożona, i jest związana z otworami dolotowymi (z ang. port) od tyłu membrany. Istnieją na rynku mikrofony, które minimalizują to zjawisko. Czy to źle czy dobrze? Oczywiście nie ma jednoznacznej odpowiedzi – dobrze, bo mamy bardziej pełny dźwięk, wprawny wokalista może wykorzystać to do ekspresji artystycznej, niektóre mikrofony instrumentalne wykorzystują specjalnie ten efekt. Natomiast nieświadomy wokalista może spowodować kłopoty, tj. niekontrolowane zmiany brzmienia! Drugim aspektem często podkreślanym przy omawianiu techniki mikrofonowej jest filtracja grzebieniowa. Otóż dźwięk od źródła do mikrofonu rozchodzi się wieloma drogami, np. wokalista-mikrofon, wokalista-sufit-mikrofon, wokalista-podłoga-mikrofon, i tak by można w nieskończoność. Jeżeli przeszkody, od których odbija się dźwięk mają charakter tłumiący, dźwięk pochodzący z odbić jest minimalny i nie wpływa zasadniczo na brzmienie, natomiast gdy powierzchnie są odbijające pojawia się zmiana barwy, która niejednokrotnie jest bardzo niekorzystna. Skąd ona się bierze? Otóż, gdy mamy falę akustyczną (zjawisko występuje też w polach elektromagnetycznych) i dodamy do niej taką samą falę, ale opóźnioną o kilka ms to pewne częstotliwości zostaną wzmocnione, a pewne stłumione. Przy różnych opóźnieniach maksima i minima charakterystyki wypadkowej różnią się, ale tworzą tzw. grzebień. Im opóźnienie mniejsze tym mniej zębów grzebienia (w paśmie akustycznym) i tym szersze pasma są wzmacniane lub tłumione. Siła efektu (różnica w poziomach między maksimami i minimami) zależy od tego jak silna jest fala odbita. Należy minimalizować efekt poprzez używanie kierunkowych mikrofonów lub poprzez stosowanie ekranów akustycznych lub jedno i drugie.


Mikrofony bezprzewodowe

Jedną z opcji dostępnej na rynku są mikrofony bezprzewodowe. Wszystkie dotychczasowe rozważania dotyczą też i tych mikrofonów. Niemniej dochodzą tutaj dodatkowe aspekty nie spotykane przy stosowaniu połączeń kablowych. Otóż systemy te pracują w oparciu o transmisję radiową sygnałów w paśmie niekoncesjonowanym, tzn. że przy zachowaniu ograniczeń na moc sygnałów radiowych, nie musimy nigdzie zgłaszać, że chcemy prowadzić transmisję radiową. I to właśnie niesie ze sobą zasadnicze kłopoty, czyli zakłócenia. Nie są to zakłócenia typu szum, ale ...