Mikrofoni

Mikrofoni (lempinimeltään joskus myös mikki tai maikki)  on sähköakustinen muunnin, joka muuntaa äänivärähtelyn vastaavaksi sähköiseksi värähtelyksi. Mikrofoneja käytetään yleisimmin musiikin ja puheen muuttamiseen sähköiseen muotoon vahvistusta tai tallennusta varten.

Historiaa

Mikrofoni on nykyaikaisen äänentallennus ja -toistotarpeiston vanhin väline, mikäli itse johtoja ei lasketa mukaan. Ensimmäisiä mikrofonikokeiluja tehtiin jo 1800-luvun alkupuoliskolla; ensimmäisen varsinaisen mikrofonin kehitti kuitenkin Emil Berliner -niminen fysiikan opiskelija vuonna 1877. Hän myi sen patentin Bell Telephone Companylle. Tätä mikrofonia käytettiin varhaisissa puhelimissa, mutta sitä kehitettiin paremmaksi juuri keksityn radion tarpeisiin. Hiilimikrofonin keksi David Edward Hughes 1878, mutta sen teollinen valmistus alkoi vasta 1920-luvulla. Mikrofoneja käytettiin siis radiossa ja puhelimissa, joihin ne olivat tarpeeksi laadukkaita, mutta äänitetallennukseen mikrofonien tuottama äänenlaatu oli liian heikko ja niiden taajuusvaste oli epätasainen.
1930-luvulla kehitettiin ensimmäiset dynaamiset ja kondensaattorimikrofonit. Dynaamisen mikrofonin periaatteen patentoi Ernst Siemens 1874. Tällainen liikkuvakelainen mikrofoni perustuu samaan ideaan kuin dynaaminen kaiutin, eli magneettikentässä liikkuvaan kuparilankakelaan, joka tuottaa liikkeestä sähkövirtaa. Dynaaminen mikrofoni toi selkeän parannuksen verrattuna aiemmin käytössä olleen hiilimikrofonin äänenlaatuun.
Kondensaattorimikrofonin valmistus tuli mahdolliseksi elektroniputken keksimisen jälkeen 1910-luvulla: kondensaattorikapselin jännitemuutosten mittaamiseen tarvittiin suuri-impedanssinen vahvistin, joka ei kuormita kapselia eikä siten pura sen sähkövarausta. Dynaamiset ja kondensaattorimikrofonit otettiin suurimmissa radioyhtiöissä teknisten sovellusten osaksi sillä niiden äänenlaatu oli ratkaisevasti parempi kuin aiempien mikrofonien. 1970-luvulla FET-transistori syrjäytti pääosin elektroniputken kondensaattorimikrofonin vahvistinosassa.
Pietsosähköinen mikrofoni eli kidemikrofoni oli yleisesti käytössä myös 1930–1950-luvuilla. Tämä pietsosähköiseen ilmiöön perustuva mikrofoni pystyi tuottamaan huomattavasti dynaamista mikrofonia korkeamman jännitteen, joten se soveltui hyvin esimerkiksi kotiäänittäjän käyttöön. Alun perin pietsomikrofonien materiaalina käytettiin rochellesuolakiteitä, nykyisin käytössä ovat erilaiset muovit ja keraamiset materiaalit. Nykyisin pietsomikrofonin tärkeimmät sovellukset ovat akustisten soittimien tallamikrofoneissa sekä ultraääniantureissa.

Nauhamikrofoni

Nauhamikrofonit ovat tavallaan dynaamisia mikrofoneja, sillä erotuksella, että niiden kalvo ja kela ovat yksi sähköä johtava nauha, joka on sijoitettu magneettien väliin. Muutoin nauhamikrofoni toimii periaatteessa samalla tavoin kuin dynaaminen mikrofoni.

Hiilimikrofoni

Hiilimikrofoni, jota käytettiin puhelimen ja radion alkuaikoina, sisälsi kahden metallilevyn väliin puristettuja hiilirakeita.  Äänen aiheuttamat painevaihtelut välittyivät hiilirakeisiin, joiden välinen resistanssi vaihteli paineen mukana.  Jos metallilevyihin kytkettiin ulkoinen tasajännite, mikrofonin läpi kulki sähkövirta, jonka voimakkuus seurasi resistanssin muutoksia Ohmin lain mukaisesti. Tämä virta voitiin yksinkertaisimmillaan syöttää suoraan kovaääniseen, joka toisti värähtelyt äänenä.

Langaton mikrofoni

Langaton mikrofoni sisältää mikrofonivahvistimen ja radiolähettimen, joka lähettää signaalin langattomasti radiolähettimen kautta vastaanottimeen. Langaton mikrofoni ei siis tarvitse mikrofonikaapelia. Vastaanotin täytyy kytkeä kuitenkin mikseriin tai muuhun laitteeseen johdolla.
Langattomat mikrofonit käyttävät äänen siirtoon radioaaltoja. Kukin mikrofonijärjestelmä (mikrofoni ja vastaanotin) käyttää tiettyä taajuutta, joka on sama lähettimessä ja vastaanottimessa. Useissa järjestelmissä on muutama oletustaajuus, mutta ammattijärjestelmissä on mahdollisuus valita käytännössä mikä taajuus tahansa. Taajuus ilmoitetaan megahertseinä. Langattomat mikrofonit käyttävät taajuusalueita VHF (Very high frequency 30 MHz – 300 MHz) ja UHF (Ultra high frequency 300 MHz – 3 000 MHz), joista jälkimmäinen on käytetympi. Esimerkki hertsitaajuudesta on 427,500 MHz.
Koska langaton mikrofoni toimii ilman johtoja, ainoa virtalähde signaalin lähettämiseen on akku- tai paristovirta. Langaton mikrofoni käyttää yleensä 1,5 V tai 9 V jännitettä. Langattomat mikrofonit toimivat yhdellä paristolla yleensä vajaat kymmenen tuntia. Akuilla toiminta-aika on lyhyempi.
Langattomat mikrofonit voidaan lajitella kahteen ryhmään: käsilähettimiin ja taskulähettimiin. Käsilähettimet (engl. handheld microphone) ovat kädessä pidettäviä mikrofoneja, jotka ovat yleensä dynaamisia. Taskulähettimeen kytketään usein instrumentti (esimerkiksi kitara) tai mikrofoni. Yleisimmin käytettyjä taskulähettimeen kiinnitettäviä mikrofoneja ovat päämikrofonit (engl. headset microphone) ja solmiomikrofonit, jotka kummatkin ovat yleensä kondensaattorimallisia.
Eräs langattomien mikrofonien käyttämä 800 megahertsin taajuusalue siirtyi mobiililaajakaistan käyttöön vuoden 2014 alusta alkaen. Tämä uudistus estää kyseistä taajuusaluetta käyttävien mikrofonien käytön. Suurin osa tällä hetkellä käytössä olevista langattomista mikrofoneista toimii 800 megahertsin poistuvalla taajuusalueella. Osa mikrofoneista on viritettävissä mobiilitaajuuksien ulkopuolelle. 800-taajuusalue sisältää taajuudet 790–862 MHz, 700-taajuusalueella (694–790 MHz) radiomikrofonikäyttöä voisi olla 31. joulukuuta 2020 asti. Radiomikrofonien taajuuksiksi ehdotetaan ensisijaisesti televisiotoimintaan osoitettuja alueita 174–230 MHz ja 470–694 MHz.

Phantomsyöttö

Phantomsyöttö on yleinen tapa syöttää jännitettä kondensaattorimikrofonien aktiivisille komponenteille. Nimensä Phantom (suom. haamu) on saanut siitä, että se on käytännössä näkymätöntä mikrofonille, joka ei sitä tarvitse (balansoidun linjan informaatio on nimenomaan johtimien signaalierossa). Phantom-lähde syöttää molempiin signaalijohtimiin suojavaippaan nähden tasavirtakomponentin. On syytä olla varovainen liitettäessä XLR-adapterilla muita laitteita phantomsyöttöihin, sillä laitteiden ulostulovahvistimet eivät kestä ulkoapäin syötettyä korkeaa tasajännitettä.
Useimmiten phantom-virran jännite on 48 V, mutta myös 12 V jännite on määritelty DIN 45596-standardissa. Käytännössä mikrofonien virrantarve kuitenkin vaihtelee tapauskohtaisesti, jolloin erikoiskäytössä voidaan käyttää myös eri jännitteitä.
Phantomsyötön lisäksi on olemassa muita tapoja syöttää jännitettä mikrofoneille, kuten T-syöttö (DIN 45595), jotka eivät ole yhteensopivia phantomsyötön kanssa.

Balansointi

Ammattikäyttöön tarkoitetuissa mikrofoneissa käytetään balansoitua kaapelia, mikä vähentää matalaimpedanssisen mikrofonisignaalin häiriöherkkyyttä sen kulkiessa pitkässä kaapelissa. Liittimenä käytetään useimmiten kolmepinnistä XLR-liitintä, mitä tästä syystä kutsutaankin useimmiten mikrofoniliittimeksi. XLR-liittimen lisäksi myös TRS-liitin (engl. Tip-Ring-Sleeve) on yleinen studiokäytössä. Balansoidussa kaapelissa hyötysignaali syötetään kahteen johtimeen vastakkaisvaiheessa ja kolmas johdin toimii maalinjana. Matkalla vastaanottimeen ulkoiset häiriöt indusoituvat molempiin signaalijohtimiin samassa vaiheessa. Vastaanotin on differentiaalinen, eli se vahvistaa signaalijohtimien välisen jännite-eron. Siten kumpaankin johtoon yhtä suurina kytkeytyneet häiriöt kumoutuvat.

Äänen mittaus ja kalibrointi

Mikrofonia voidaan käyttää myös esimerkiksi äänenvoimakkuuden mittaamiseen. Jotta mikrofonilla voitaisiin mitata äänenvoimakkuutta tarkasti, se täytyy kalibroida.
Normaliäänilähde (engl. sound calibrator) on eräänlainen kaiutin, jota voi käyttää mikrofonien herkkyyden tasaukseen. Se on erityisen täsmällinen taajuusgeneraattori, joka ei muuta signaalin tasoa lämpötilan vaihteluista huolimatta. Mikrofonikapselin voi asettaa siten, että ympärillä olevat hälyäänet eivät paljon voi vaikuttaa mittaustulokseen.
Mäntä-äänilähde (engl. pistonphone) on mikrofonien kalibrointiin tarkoitettu laite, joka tuottaa tunnetun äänenpaineen. Kalibroitava mikrofoni asetetaan mäntä-äänilähteen kalibrointionteloon, jonka tilavuutta yksi tai useampi jaksollisesti liikkuva mäntä muuttaa. Mäntien iskutilavuuden, ontelon tilavuuden sekä ilman ominaisuuksien avulla voidaan laskea ontelossa vaikuttava äänenpaine. Kalibrointitaajuus on tavallisesti 250 Hz ja kalibrointitaso 124 dB. Mäntä-äänilähteellä ei toimintaperiaatteen vuoksi päästä kovin suuriin taajuuksiin.