Kondensatormikrofon
Aus Soundlexikon
Das Kondensatormikrofon (auch Kondenser) ist ein elektroakustischer Wandler, der Schalldruckimpulse in entsprechende elektrische Spannungsimpulse wandelt, und dabei nach dem physikalischen Prinzip des Kondensators arbeitet.
Kondensatormikrofone kommen in den verschiedensten Erscheinungsformen vor, da mit diesem Begriff nur das Wandlerprinzip bezeichnet wird. Der Begriff hat sich aber im Umgang als Mikrofon-Klasse etabliert, da klangliche Eigenschaften mit dem Prinzip der Wandlung eng verknüpft sind. Bereits 1928 von Georg Neumann erfunden, ist es bis heute ein Standard in Tonstudios in aller Welt.
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Prinzip
Beim Kondensatormikrofon ist eine wenige tausendstel Millimeter dicke und meistens metallbedampfte Membran dicht vor einer gelochten Metallplatte elektrisch isoliert angebracht. Sobald eine elektrische Spannung angelegt wird, entsteht zwischen der Membran und der Platte ein Potenzialgefälle. Technisch betrachtet entspricht diese Anordnung einem Kondensator, der eine messbare Kapazität besitzt. Eintreffender Schall bringt die Membran zum Schwingen, wodurch sich der Abstand der beiden Kondensatorfolien und damit auch die Kapazität des Kondensators verändert. Diese Kapazitätsschwankungen führen zu Spannungsschwankungen und resultieren in einem elektrischen Signal.
Da die Membran eine sehr geringe Masse besitzt, folgt sie Luftschwingungen besonders präzise, was sich in einer guten Impulsverhalten dieses Mikrofontyps sowie in dessen brillanten Höhen niederschlägt. Dieses ist umso besser, je kleiner der Membrandurchmesser ist. Kondensatorkapseln sind sowohl als Druckmikrofon wie auch als Druckgradientenmikrofon gebräuchlich. In der Lehre wird hier gerne das Wort Druckempfänger und Druckgradientenempfänger verwendet. Manche Kondensatormikrofone haben eine umschaltbare Richtcharakteristik. Ermöglicht wird dieses z. B. durch eine zweite Membran, die in der Höhe der Versorgungsspannung und in der Polung umgeschaltet werden kann (Doppelgradientenmikrofon).
Im Mikrofongehäuse oder in der Zuleitung befindet sich eine elektrische Schaltung, welche die ankommenden Spannungen vorverstärkt. Bei hochwertigen Mikrofonen ist dieser Verstärker meistens mit einem symmetrischen Ausgang ausgeführt, d.h. er liefert ein masseunabhängiges Signal. Erreicht wird dieses entweder durch einen Transformator oder durch eine elektrische Symmetrierstufe mit Transistoren.
Energieversorgung
Per Phantomspeisung
Bei dem Typ, der nicht mit dauerhaft vorbeladenen Kondensatorfolien ausgestattet ist, erfolgt die Vorspannung durch eine Speisequelle (Batterie oder Speisegeräte). Ferner muss das sehr schwache Signal vorverstärkt und einer Spannungsanpassung unterzogen werden, bevor es über das Mikrofonkabel übertragen werden kann. Üblicherweise nutzt man die Phantomspeisung des Mikrofonvorverstärkers oder des Mischpults. Diese beträgt meistens 48 Volt und liegt zwischen den Anschlüssen Hot (XLR) Pin 2 und 3 über zwei Widerstände von je 6,8 Kilo-Ohm und Masse/Schirm Pin 3 der Abschirmung an. Siehe: Symmetrische Signalübertragung. Will man die unsymmetrischen Mikrofoneingänge etwa eines tragbaren DAT- Recorders nutzen, benötigt man eine zusätzliche Batteriespeisung. Kondensatormikrofone, die für den mobilen Einsatz gebaut worden sind, haben oft ein solches Speiseteil im Griffstück integriert.
Per Elektret
Ein weiterer Typ des Kondensatormikrofons, der den Effekt einer dauerhaft elektrostatischen Vorbeladung mittels Elektretfolie nutzt und nur einen geringen Speisestrom benötigt, ist das Elektretmikrofon.
Bauarten
Kleinmembranmikrofon
Als Kleinmembranmikrofon gelten nach branchenüblicher Bezeichnung all jene Mikrofone, deren Mikrofonkapsel einen Membrandurchmesser von kleiner als 1 Zoll = 2,54 cm aufweisen. Typisch bei Kondensatormikrofonen sind Durchmesser im Bereich von 1/2 Zoll.
Der Kapseldurchmesser beeinflusst maßgeblich den Klang und bestimmt damit den Anwendungszweck des Mikrofons mit. Je kleiner der Kapseldurchmesser ist, desto höhere Frequenzen können gemäß ihrer Einfallsrichtung und Schallstärke korrekt aufgenommen und übertragen werden, da sich das Mikrofon dem punktförmigen Ideal annähert und die wirksame Membranfläche maximal in der Größenordnung der Wellenlänge der höchsten hörbaren Schallfrequenzen liegt.
Kleinmembranmikrofone haben daher einen recht gleichförmigen Verlauf der Empfindlichkeit in Abhängigkeit des Schalleinfallswinkels und übertragen bis weit über 15 kHz einigermaßen sauber. Dagegen kommt es bei Großmembranmikrofonen, z. B. zu ausgeprägteren Partialschwingungen und Wechelswirkungen der Membran mit kurzwelligen Schallwellen, sodass im oberen Frequenzbereich ab etwa 10 kHz ein oft ungleichförmiger Frequenzverlauf entsteht. Mitverantwortlich sind hierbei auch die Größe und Geometrie des gesamten Mikrofons. Kleinmembranmikrofone stellen ein geringes Hindernis im Schallfeld dar und wirken damit weniger verzerrend, was z. B. auch in Stereomikrofonanordnungen sehr zum Tragen kommt, wenn zwei Mikrofone in unmittelbarer Nähe plaziert werden müssen.
Grundsätzlich gilt: Je kleiner die Kapsel, desto neutraler und präziser ist das Klangbild. Daher werden bei Musikproduktionen und Übertragungen, bei denen es auf klangliche Authentizität ankommt, nahezu ausschließlich Kleinmembranmikrofone eingsetzt.
Andererseits verliert man bei kleineren Kapseln an Kondensatorfläche, wodurch die Empfindlichkeit, also das Vermögen, einen bestimmten Schalldruck in eine möglichst große Spannung umzuwandeln, sinkt und bei festem Grundrauschen nachgeschalteter Verstärker, der effektive Rauschabstand verschlechtert wird.
Durch die Bauart weisen Kleinmebranmikros auch eine oft benötigte gute Rückwärtsdämpfung, also Abschattung von hinten kommender Schallwellen auf. Typische Rückwärts-Dämpfungswerte sind bis zu 35 dB für Nieren-Kleinmembranmikrofone, während nur bis zu maximal 20 dB Dämpfung von hinten für Großmembranen üblich sind.
Großmembranmikrofon
Bei Kondensatormikrofonen ist es bis zum heutigen Tag in der Branche üblich, alle Kapseln mit Membrandurchmessern von größer oder gleich 1 Zoll = 2,54 cm als Großmembranmikrofon zu bezeichnen, auch wenn es manche junge Firmen gibt, die es mit dieser geschichtlich gewachsenen Begriffsbestimmung nicht so ernst nehmen und auch Membranen mit nur 0,75 Zoll = 1,9 cm Durchmesser (die damit eigentlich Kleinmembranmikrofone sind) schon als Großmembran zu benennen, um sie besser vermarkten zu können. Real ist heute auch immer noch so, dass die historisch bedingte Baugröße der Großmembranmikros bei vielen Anwendern pauschal auf positive Resonanz stößt und vielfach kaufentscheidend ist. Tätsächlich sind aber Kleinmembranmikrofone technisch in vielen Punkten überlegen und sind daher in vielen Anwendungen der Tonproduktion vorzuziehen.
Der Klang wird durch den Kapseldurchmesser und seine Störungen im Schallfeld maßgeblich beeinflusst und damit den Anwendungszweck des Mikrofons mitbestimmt. Je größer der Kapseldurchmesser wird, desto schlechter können höhere Frequenzen noch sauber übertragen werden, da ein Membrandurchmesser von 2 cm und mehr bereits in der Größenordnung der Wellenlänge der noch hörbaren hohen Schallwellen liegt, wodurch es zu unerwünschen Effekten kommt.
Ein weiteres typisches Merkmal von Großmembranmikrofonen ist es, dass sie für das Schallfeld ein großes mechanisches Hindernis darstellen und durch die Platzierung eines dermaßen großen Fremdkörpers die Schallsituation in unmittelbarer Umgebung des Mikrofons stark verzerrt wird. Einfluss nimmt hier auch das oft großvolumig gestaltete Gehäuse bei Großmembranern.
Da die Richtcharakteristik aufgrund der großen Abmessungen sehr frequenzabhängig und auch weniger gut ausgeprägt ist, entsteht bei diesem Mikrofontyp typischerweise eine deutliche Klangfärbung, die für jedes einzelne Exemplar charakteristisch ist, während sich Kleinmembranmikrofone untereinander klanglich deutlich ähnlicher sind.
Vergleich zwischen Klein- und Großmembran-Mikrofonen
De facto besitzen Großmembraner eine typische obere Grenzfrequenz von etwa 12 kHz, während Kleinmembranen mühelos bis 20 kHz und mehr sauber übertragen und auch Impulsen besser folgen können. Moderne Großmembranen sind allerdings aus extrem dünnen (unter 2 µm) und leichten Materialien gefertigt und können jetzt hohe Frequenzen ein wenig besser wiedergeben, als ältere Modelle.
Dennoch gilt: Je kleiner die Kapsel, desto neutraler und präziser ist das Klangbild. In Aufnahmesituationen werden Großmembraner daher oft eingesetzt, um bestimmte Instrumente oder Stimmen zu kolorieren, z. B. um Solostimmen, vor allem Gesang, hervorzuheben. Bei Überragungen hingegen, wo es auf gute Rückwärts-Dämpfungswerte ankommt, erweisen sich Großmembranmikrophone ebenfalls als unterlegen: Typische Werte für ein Nieren-Großmembranmikrofon sind z. B. 20 dB, während bei Kleinmembranmikrofonen bis zu 35 dB Dämpfung keine Seltenheit sind.
Große Kapseln haben aber einen entscheidenden Vorteil. Sie bringen eine größere Kondensatorfläche mit, wodurch die Empfindlichkeit steigt. Bei einem gegebenen Schalldruck erzeugt eine Großmembrankapsel mehr Spannung, wodurch bei gleichem Grundrauschen nachfolgender elektrischer Verstärker der effektive Rauschabstand verbessert wird. Damit lassen sich mit Großmembrankapseln grundsätzlich rauschärmere Mikronfone bauen, was sich teilweise in der Produktpalette fernöstlicher Anbieter niederschlägt, die optisch imposante Riesenmikofone anbieten, und die trotz mittelmäßiger Elektronik dadurch mit vergleichsweise guten Rauschwerten glänzen.
| kleine Membran | große Membran | |
|---|---|---|
| Eigenrauschen | höher | niedriger |
| Empfindlichkeit | niedriger | höher |
| Schalldruck-Verkraftung | höher | geringer |
| Frequenzbereich | breiter | enger |
| Schallfeldeinfluss | gering | stark |
| Dynamikbereich | höher | geringer |
