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. Dynaaminen 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 ja ultraääniantureissa.
Toimintaperiaate.
Dynaaminen mikrofoni.
Dynaamisen mikrofonin toimintaperiaate on vastakkainen dynaamiselle kaiuttimelle. Yksinkertaisimmillaan dynaaminen mikrofoni sisältää neljä osaa: kalvon, sähköä johtavan kelan, magneetin napakappaleineen ja johtimet. Kela on kiinnitetty kalvoon, joka kytkeytyy runkoon joustavilla ripustuksilla, samaan tapaan kuin kaiuttimen elementti. Ilman liike saa kalvon värähtelemään. Tällöin myös kalvoon kiinnitetty kela liikkuu magneettikentässä ja siihen indusoituu vaihtojännite. Johtimet kuljettavat tämän heikon sähköisen signaalin vahvistimeen, joka vahvistaa signaalin esitys- tai tallennuskelpoiseksi. Dynaaminen mikrofoni on kaikkein yleisin mikrofoni, ja se toistaa sekä instrumentteja että laulua vaativissakin olosuhteissa melko laadukkaasti. Dynaamiset mikrofonit ovat erityisen suosittuja konserttikäytössä niiden kestävyyden, laadukkuuden ja silti hyvän toiston takia.
Dynaamisen mikrofonin erikoistapaus, magneettinen mikrofoni, perustuu kiinteään kestomagneettiin ja kiinteään kelaan. Magneettivuon suuntaa kelassa ohjaa ohut teräskieli, jota mikrofonin kalvo liikuttelee. Tunnetuin esimerkkitapaus magneettisesta mikrofonista lienee Shure "green bullet", joka on alun perin suunniteltu kuulutusmikrofoniksi, mutta on yleistynyt huuliharppumikrofonina.
Magneettisen mikrofonin periaatteella toimii myös sähkökitaran mikrofoni. Siinä kitaran kieli säätelee magneettivuota kelan sisällä.
Dynaamiset mikrofonit ovat aina herkkiä ulkoisille magneettisille häiriöille. Näiden eliminointiin käytetään laadukkaimmissa mikrofoneissa n.s. humbucking-kelaa. Tämä kela sisältää saman verran kierroksia kuin itse mikrofonin puhekela, mutta se kytketään puhekelan kanssa sarjaan, vastakkaisvaiheisesti, jolloin näiden kahden kelan poimima magneettikenttä kumoutuu. Kitaroiden humbucker-mikrofonissa puhekelan puolikkaat kytketään vastaavalla tavalla.
Kondensaattorimikrofoni.
Kondensaattorimikrofonin toimintaperiaate on monimutkaisempi kuin dynaamisen mikrofonin. Kondensaattorimikrofonissa on dynaamisen mikrofonin kalvon ja kelan sijasta niin sanottu kondensaattori, joka koostuu ohuen ohuesta metallisesta kalvosta, joka vastaanottaa ääniaallot, sekä rei'itetystä elektrodista. Kondensaattoriin synnytetään tasajännite joko ulkopuolisella jännitelähteellä omaa johdinta pitkin tai käytetään hyväksi phantom-jännitettä (), josta jännitemuuntimen avulla tehdään tarvittava polarointijännite. Mittauskäyttöön tarkoitetuissa mikrofoneissa 200 V jännite on yleinen. Kun äänenpaine saa metallikalvon liikkumaan kauemmas ja lähemmäs elektrodista, kondensaattorin kapasitanssi ja sitä kautta sähkövaraus muuttuu. Tämä muutos tuottaa heikon signaalin, joka on liian pieni, jotta se voitaisiin sellaisenaan käyttää. Sen takia mikrofonissa itsessään − tai sitä hyvin lähellä signaalitiellä – täytyy olla esivahvistin, joka vahvistaa signaalia. Kondensaattorimikrofoni on mikrofoneista herkin ja poimii suurimmat ja pienimmät taajuudet melko vaivattomasti. Äänimittauksissa kondensaattorimikrofoni on suosittu, koska sillä on hyvin tasainen taajuusvaste. Suurikalvoiset kondensaattorimikrofonit ovat kaikkein herkimpiä, mutta toisaalta ne eivät kestä yhtä suuria äänenpaineita kuin pienemmät ilman pysyviä herkkyyden muutoksia. Mittausmikrofoneilla tyypillinen herkkyys on suurilla yhden tuuman mikrofoneilla 50 mV/Pa, kun taas pienillä neljännestuuman mikrofoneilla herkkyys on tyypillisesti 5 mV/Pa. Pienikalvoiset kestävät suurempaa painetta ja jonkin verran iskujakin. Pienten mikrofonien taajuusvaste on mahdollista ulottaa pitkälle ultraäänialueelle, yli 100 kilohertsiin, mutta suurempien mikrofonien taajuusvaste kattaa yleensä vain audioalueen eli enintään 20 kilohertsiä.
Kondensaattorimikrofonin erikoisversioista tärkein lienee RF-periaatteella toimiva mikrofoni. Siinä kapselin kapasitanssin muutoksia mitataan radiotaajuudella. Kiinteätaajuinen oskillaattori syöttää signaalia virityspiiriin, jonka kapasitanssina toimiva mikrofonikapseli virittää piirin hetkellisesti ylä- tai alavireeseen. Virityspiirin ulostulojännite vahvistetaan ja syötetään mikrofonin lähtöön. RF-mikrofonin etuina on pieni pohjakohina sekä kosteuden sieto vaikeissa äänitysolosuhteissa. Tällä tekniikalla toteutetut Sennheiser MKH-sarjan mikrofonit ovatkin suosittuja esimerkiksi elokuva- ja televisioäänittäjien työkalupakissa huolimatta niiden kohtuullisen korkeasta hinnasta.
Elektreettimikrofonissa kondensaattorikapselin vaatima sähkövaraus siirretään pysyvästi kapselin takaelektrodin muovimateriaaliin lämpökäsittelyn avulla. Mikrofoni ei siis tarvitse ulkoista polarisaatiojännitettä, joten se tarvitsee vain 1–9 V jännitteen vahvistinta varten. Elektreettimikrofonit ovat yleistyneet pienten tuotantokustannustensa ansiosta erityisesti mobiililaitteissa.
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.
Sähkömagneettinen mikrofoni.
Tyypillisistä ääntä tallentavista mikrofoneista poiketen sähkömagneettinen mikrofoni ei reagoi ääneen, vaan metallisten kielten värähtelyyn. Hyvä esimerkki sähkömagneettisen mikrofonin käytöstä on sähkökitara, jossa mikrofoni reagoi kielten värähtelyyn. Sähkömagneettisia mikrofoneja voidaan käyttää periaatteessa minkälaisissa soittimissa tahansa, joissa on metallikielet; kuten esimerkiksi sähkökanteleissa tai sähköbassoissa.
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 () ovat kädessä pidettäviä mikrofoneja, jotka ovat yleensä dynaamisia. Taskulähettimeen kytketään usein instrumentti (esimerkiksi kitara) tai mikrofoni. Yleisimmin käytettyjä taskulähettimeen kiinnitettäviä mikrofoneja ovat päämikrofonit () ja solmiomikrofonit, jotka kummatkin ovat yleensä kondensaattorimallisia.
Yksi 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 MHz:n taajuusalue sisältää taajuudet 790–862 MHz, 700 MHz:n taajuusalueella (694–790 MHz) radiomikrofonikäyttö sallitaan 31. joulukuuta 2020 asti. Radiomikrofonien taajuuksiksi ehdotetaan ensisijaisesti televisiotoimintaan osoitettuja alueita 174–230 MHz ja 470–694 MHz.
Käsitteitä.
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.
Suuntakuvio.
Mikrofonia valittaessa tarkoitukseen kuin tarkoitukseen tärkeimpiä asioita taajuusvasteen lisäksi on mikrofonin suuntakuvio. Suuntakuvioita on erilaisia, mutta fysiikan laeista johtuen ne ovat kaikki pyöreitä. Suuntakuvio riippuu mikrofonin akustisesta toimintaperiaatteesta, joita on periaatteessa vain kaksi: paineherkkä ja nopeusherkkä. Näiden toimintaperiaatteiden yhdistelmillä saadaan toteutettua kaikki seuraavassa esitettävät suuntakuviot, haulikkoa lukuun ottamatta. Suuntakuviota muokataan pääasiassa jättämällä kalvon takakammio osittain tai kokonaan avoimeksi. Mitä suuntaavampi mikrofonin suuntakuvio (herttakuvioisilla ja sen muunnoksilla) on, sitä enemmän korostuu läheisyysilmiönä tunnettu erikoisominaisuus ("engl. proximity effect"). Tämä tarkoittaa sitä, että kun mikrofoni on todella lähellä äänilähdettä, kuten esimerkiksi rumpusetissä, bassotaajuudet korostuvat luonnottomasti. Läheisyysilmiö puuttuu painemikrofonilta täysin (pallokuvio). Pallomikrofoni on myös vähemmän herkkä käsittelyäänelle ja tuulelle.
Pallo ("engl. omnidirectional") on vanhin suuntakuvio. Mikrofoni, jonka suuntakuvio on pallo, poimii kaikista suunnista tulevat äänet yhtä voimakkaasti.Hertta ("engl. cardioid") on ns. suuntaava kuvio, ja kaksi seuraavaa ovat sen variaatioita. Herttakuvioinen mikrofoni poimii tehokkaasti äänet edestä ja sivuilta, mutta jättää takaa tulevat äänet hiljaisiksi.Superhertta ("engl. supercardioid") on hertan ensimmäinen variaatio, jonka suuntakuvio on kapeampi kuin hertan. Tekniikastaan johtuen se poimii lisäksi myös hiukan takaa tulevia ääniä.Hyperhertan ("engl. hypercardioid") suuntakuvio on vieläkin kapeampi ja se poimii takaa tulevat äänet voimakkaammin kuin superhertta.Kahdeksikko ("engl. bidirectional, figure-8") on nimensä mukaisesti suuntakuvio, joka poimii kahdelta vastakkaiselta puolelta tulevat äänet yhtä voimakkaasti, ja jättää sivuilta tulevat äänet hiljaisiksi.Haulikko ("engl. shotgun") on erityisesti elokuva- ja televisiotuotantoon tarkoitettu mikrofoni, joka poimii tarkasti edestä tulevat äänet (esim. dialogin, toiminnan äänet) ja hiukan heikommin takaa ja sivulta tulevia ääniä (tilaääniä).
Äänen mittaus ja kalibrointi.
Mikrofonia voidaan käyttää myös esimerkiksi äänenvoimakkuuden mittaamiseen. Jotta mikrofonilla voitaisiin mitata äänenvoimakkuutta tarkasti, se täytyy kalibroida.
"Normaaliäänilähde" () 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" () 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.