Membran & kapslar

En mikrofon är en elektroakustisk omvandlare som gör elektrisk spänning eller ström av ljudvågor i luften.

Mikrofoner kan ha olika arbetsprinciper: kolkorn, kristall, dynamisk, band, kondensator eller elektret.

Det finns två grundläggande principer för mikrofonkapslar. Den ena känner av tryck, den andra känner av tryck- och fasskillnad.

Tryckmikrofonens kapsel består av en sluten box med ett membran spänt över ena sidan. Membranet fungerar som en trycksensor som jämför små tryckförändringar mellan den slutna boxen och omvärlden. Resultatet blir en kula.

Membranet i en tryckmikrofon är hårt spänt och därför relativt okänsligt för vind och vibrationer.

I den andra grundtypen – en tryckgradientmikrofon* – hänger membranet fritt i luften så att ljudvågorna kan nå båda sidor. Typen kallas ibland också hastighetskännande mikrofon (eng. ”velocity microphone”).

En tryckgradientmikrofon känner av både tryck- och fasskillnaden mellan membranets båda sidor.

Ljud mot tryckgradientmikrofonens sida (90°) påverkar båda sidor av membranet lika mycket. Och eftersom det i det fallet inte uppstår någon tryckskillnad mellan membranets båda sidor, står det stilla.

En tryckgradientmikrofon är alltså okänslig för ljud från sidan, men känslig för ljud framifrån och bakifrån. En åtta.

Membranet i en tryckgradientmikrofon är löst spänt och därför känsligt för vind och vibrationer.

En kardioid (njure) är en kombination av lika delar tryckmikrofon och tryckgradient-mikrofon.

Några av de första kardioidmikrofoner som konstruerades innehöll två separata kapslar, en åtta och en kula. Ljudet från de båda kapslarna mixades ihop inne i mikrofonen. Mycket ljud från kulan gav en öppen kardioid, medan mycket från åttan gav en superkardioid.

Kondensatormikrofonens uppfinnare, E. C. Wente från USA, använde 1917-23 valsat stål eller aluminium som membranen till sina kapslar.

Georg Neumann i Tyskland provade 1928 att använda kollodium** som stomme till sina membran. Han hällde helt enkelt den trögflytande lösningen (cellulosanitrat i en blandning av alkohol och eter) över ett plant stycke bladguld på en glasskiva och lät den torka. Resultatet blev ett membran med en guldsida som var elektriskt ledande.

Senare började Neumann använda polyvinylklorid (PVC) i stället för kollodium som membranstomme, och i stället för att använda bladguld förångade han metallen och lät den vandra över till PVC-folien.

En kapsel i en kondensatormikrofon består i sitt enklaste utförande av ett rörligt elektriskt laddat membran och en fast elektriskt laddad bakplatta. Dessa är monterade mycket nära varandra, men utan kontakt, och bildar tillsammans en kondensator som laddas upp med en likspänning, en polarisationsspänning. När ljudvågor träffar kapselns membran ändras avståndet till bakplattan, och därmed kapacitansen.

M7-kapseln konstruerades 1932 av Georg Neumann i Berlin. Den fick dubbla membran, tillverkade av PVC, och kom i produktion åter därpå.

Bara kapselns ena membran (C) är guldbelagt och elektriskt ledande. Det andra (E) är passivt.

Mellan kapselns båda membran finns en bakplatta av mässing (D) med genomgående hål (A), som gör att de båda membranen står i akustisk förbindelse med varandra. Bakplattan har även hål som bara är fördjupningar (B), till för att jämna ut frekvenskurvan.

Förenklat fungerar kapseln på följande sätt: Kapselns passiva, bakre membran (E) fångar upp ljud från mikrofonens baksida.

Dessa ljudvågor färdas genom hålen i kapselns bakplatta (A) och pressar mot insidan av det främre, aktiva membranet (C).

Ljudet från mikrofonens baksida tar sig naturligtvis också runt kapseln och träffar då, något fördröjt, det främre membranets utsida.

Tidskillnaden mellan ljudet som träffar det främre membranets baksida, och det som träffar dess framsida, resulterar i en dämpning av alla de ljud som når mikrofonens baksida. Kapseln har blivit en kardioid. Den här konstruktionen användes till CMV3a.

Senare gjorde Neumann en version av M7-kapseln efter Braunmühl och Webers idéer (mer om dem strax), med båda membranen elektriskt ledande.

På det viset fick man två kardioider och möjligheten att skifta mikrofonens riktingskarakteristik på elektrisk väg. Denna utvecklade modell av M7 användes bl.a. till U47 och M49.

PVC-membran i en M7-kapsel var 8-10 µm tjockt. (1 µm = 1/1000 mm.) På ena sidan var membranet belagt med ett mycket tunt lager rent guld (0,3 µm). Avståndet mellan membran och bakplatta var 40 µm. Membranets effektiva diameter var 28 mm.

Men membran av PVC hade vid den här tiden problem med sitt åldrande. De stelnade allteftersom de härdade och blev mindre böjliga. Det här upptäckte Georg Neumann och från slutet av 50-talet började han därför använda polyester (Mylar), istället för PVC som membranstomme.

Den dubbelsidiga kapsel med membran av Mylar, som kom att efterträda M7 i Neumann U47, fick namnet K47. Den känns igen på att en ring av mässing är skruvad runt kanten för att hålla membranet på plats. Alla M7-kapslar hade limmad kant.

K67-kapsel med hållare och omkopplare till en Neumann M269.
Alltihop har beteckningen KK269.
Bokstaven ”F”, på karakteristikomkopplaren,
står för ”Fern” (fjärr) d.v.s. omkoppling på nätaggregatet.

KK står för Kapselkopf = kapsel inklusive hållare.
Ett ensamt K i beteckningen betyder kapsel utan hållare.

Den kapsel med omställbar karakteristik som Hans-Joachim von Braunmühl och Walter Weber i Tyskland patentsökte 1935, hade dubbla membran med en gemensam bakplatta tillverkad av mässing. Bakplattan var försedd med hål borrade från båda sidor. En del av hålen var grunda, andra gick rakt igenom plattan. Syftet med de grunda hålen var att åstadkomma akustisk dämpning för att jämna ut frekvenskurvan. De genomgående hålen såg till att kapselns båda sidor blev kardioider.

Om signalerna från de två kardioidmembranen adderades, med samma nivå och samma polaritet, då blev mikrofonens karakteristik en kula.

För att få en åtta fasvände man signalen från den ena kardioiden.

En kardioid fick man när man elektriskt stängde av det bakre membranet, och lät det fungera som en bakväg för ljudvågorna in till det främre membranets baksida.

Braunmühl och Webers kapsel låg till grund för den dubbelsidiga M7-kapsel som lanserades först i Neumann-Gefells CMV4a från 1947, och senare i Neumanns U47 från 1949.

Herrar Kalusche och Spandock från Siemens fick 1951 patent på en omställbar dubbelmembranskapsel med dubbla bakplattor.

AKG modifierade konstruktionen och hade 1953 en synnerligen avancerad och omställbar kapsel med beteckningen CK12 färdig till sin nya rörmikrofon C12***.

På sladden mellan mikrofonen och nätaggregatet fanns en låda med en omkopplare. Med den kunde mikrofonens karakteristik ljudlöst och utan nivåförändingar ställas om i nio steg genom att polarisationsspänningen till det bakre membranet ändrades.

CK12-kapseln användes, förutom i C12, även i C-12A, C-24 (en stereoversion av C12), C-412 samt tidiga exemplar av C-414.

CK12-kapseln bestod av många delar och var mycket dyr att tillverka. Därför konstruerade AKG med tiden en version av kapseln där all mässing var utbytt mot nylon.

C12 var AKG:s första mikrofonen med det speciella, diskantrika AKG-ljudet.

Labyrintprincipen

Nuförtiden är de flesta kardioider konstruerade efter labyrint- eller fasförskjutningsprincipen, med ett enda membran. Detta är öppet framåt, medan baksidan nås via ett myller av gångar och små kammare som gör att ljudet som träffar membranets baksida blir akustiskt tidsfördröjt.

Symmetrisk kapsel

De flesta kapslar till små kondensatormikrofoner har ett membran framför en fast metallplatta. Eftersom membranets ena sidan är öppen och den andra instängd mot metallplattan, har det lättare att röra sig åt ena hållet än åt andra. Det kan därför uppstå intermodulationsdistorsion.

Sennheisers symmetriska kondesatormikrofonkapsel, som introducerades 1985, har membranet placerat mellan två akustiskt transparenta metallplattor. Membranet får på det viset lika lätt att röra sig åt båda hållen.

Exempel på mikrofoner med den här tekniken är MKH20 (kula), MKH30 (åtta), MKH40 (kardioid), MKH50 (hyperkardioid) samt de två riktmikrofonerna MKH60 och MKH70.

En liten kapsel är bättre än en stor på att återge höga ljudnivåer med låg förvrängning. En liten kapsel har dessutom en jämnare frekvensgång. En nackdel med de små är dock att de ger lägre utspänning och därför kräver mer förstärkning i efterföljande elektronik, vilket i sin tur skapar mer egenbrus.

En liten kapsel, med membran på 5-10 millimeters diameter, har sin resonasfrekvens en bra bit över 20 kHz. Frekvenskurvan för en mikrofon med sådana membran blir alltså mycket rak upp till resonansfrekvensen. En mikrofon med ett stort membran har däremot sin resonansfrekvens inom det hörbara området, nuförtiden vanligtvis någonstans mellan 6-10 kHz. Den höjning som finns vid resonansfrekvensen kompenseras vanligen genom hålen i bakplattan och skyddsgallrets utformning. Men ofta låter man höjningen vara kvar, något dämpad för att ge luftighet åt ljudbilden.

* Gradient = (mått på) förändring per längdenhet av en fysikalisk storhet som varierar i rummet.

** Mellan 1850-1890 gjuter fotograferna kollodium på sina glasplåtar för att på den ytan binda ljuskänsliga kemikalier inför fotograferingen. Man kunde också pensla lite kollodium över ett sår för att få en skyddande hinna.

*** 1949 hade Neumann släppt modell M49, steglöst omställbar mellan kula, kardioid och åtta. Mikrofonens kapsel hade dubbla membran med gemensam bakplatta. Det främre membranets polarisationsspänning hölls konstant på 60 volt, medan spänningen till det bakre membranet var reglerbar mellan 0-120 volt med hjälp av en potentiometer på nätaggregatet.