Microfoni – I

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Il microfono è quel dispositivo trasduttore che data una variazione di pressione incidente sul diaframma meccanico di cui esso è composto, trasforma il movimento meccanico in impulsi elettrici corrispondenti, di intensità pari al movimento stesso. Lo scopo essenziale di utilizzo del microfono è quello di riprendere una determinata sorgente sonora al fine di trasferire la pressione sonora generata dalla sorgente all’interno di un circuito amplificatore per poi essere diffusa ad intensità molto più elevata in modo da poter essere percepita a maggiori distanze.

Infatti, il microfono è il primo componente fisico che incontriamo nella catena audio, successivamente alla generazione del suono ( fig. 1 ), per questo dovrà essere data particolare attenzione alla scelta del giusto microfono in base al tipo di suono generato dalla sorgente sonora, in quanto caratteristiche, corretta posizione del microfono in relazione allo strumento ripreso e molti altri fattori che vedremo in questo argomento incidono fortemente sulla qualità che il segnale avrà durante tutto il percorso fino alla diffusione.

fig.1 ( la figura 1 illustra un’ipotetica catena audio considerando una sorgente sonora che genera una pressione sonora, quindi un suono derivato dal movimento delle particelle d’aria, quello per cui è necessario l’utilizzo di un microfono per il prelievo del segnale audio da processare ed amplificare, mentre per i dispositivi che generano suono a livello elettrico come chitarre elettroacustiche, tastiere, batterie elettroniche per cui è necessario prelevare il segnale a livello elettrico, come visto, si utilizzano dispositivi come ad esempio le D.I. Box viste in altre argomentazioni ).

Partendo dal fatto per cui uno strumento che già di partenza suona bene, quindi la qualità del segnale partirà già con un ottimo livello, se successivamente andremo ad introdurre dispositivi non qualitativi e che quindi ne degradano la qualità, a fine percorso udiremo un suono completamente diverso da quello originale, molto spesso più scadente. Perciò, una corretta scelta qualitativa del microfono da ripresa è essenziale per non degradare la risposta del segnale originale, e ancor più rispetto ad altri dispositivi in quanto è un punto molto critico della catena audio, è proprio la trasduzione del segnale sotto forma di pressione acustica in impulsi elettrici corrispondenti.

Come si vedrà poi, durante l’analisi delle varie tipologie di microfoni e delle loro caratteristiche tecniche, gioco fondamentale sarà che, ogni componente che costituisce tale microfono dovrà essere il più possibile ideale e trasparente alla forma d’onda incidente. In primis il cuore della trasduzione, quindi diaframma mobile e magnete o altri elementi a seconda del metodo costruttivo. Esso dovrà sopportare e mantenere la copia della forma d’onda incidente, quindi non alterare l’onda complessa e riuscire a trasdurla in frequenza elettrica, senza distorsioni e colorazioni, non chè mantenerne la corretta dinamica trasdotta da acustica ad elettrica. Se un microfono viene inciso da un segnale audio con spettro sonoro di: SPL Max di 100 dB, una dinamica complessiva di 94 dB ed una risposta in frequenza da 100 Hz a 10 Khz, tutto il sistema di trasduzione più eventuali componenti passivi o attivi lungo il circuito fino allo stadio di uscita non devono andare a comprimere e a distorcere tale forma d’onda, ma devono rispecchiarla in uscita.

Questa è l’idealità dei casi, ma in realtà ad oggi ci si avvicina solamente e neanche molto.   Ogni microfono ha una sua taratura ( quindi una sue caratteristiche tecniche determinate dal costruttore ) e quindi dovremmo scegliere quello più consono alle nostre esigenze ( un microfono può andare bene per riprendere correttamente lo spettro sonoro di uno strumento piuttosto che un’altro ).

Il microfono come vedremo meglio quando parleremo di tecniche di ripresa microfonica è comparabile ed ha la stessa funzionalità dell’orecchio, quindi prelevare il segnale audio e trasportarlo verso un sistema di ricezione ( per l’orecchio il sistema nervoso centrale, per il microfono un pre-amplificatore audio ), non esiste ancora oggi un microfono che abbia una dinamica, risposta in frequenza, caratteristiche tecniche di qualità come può avere il nostro orecchio, come vedremo non basta nemmeno utilizzare un singolo microfono per emulare l’ascolto umano, ma serviranno particolari tecniche che possano avvicinare una ripresa microfonica per un ascolto più reale possibile.

Tipologie di Microfoni

Esistono 2 macrocategorie di microfoni :

1. Microfoni di Ripresa
2. Microfoni di Misura

I microfoni di Ripresa sono quelli costruiti per essere ottimizzati nelle riprese di strumenti musicali e di ambiente, ai fini di eventi live, broadcast, recording.

I microfoni di Misura sono invece costruiti per essere ottimizzati nelle misurazioni, ai fini di misurare lo spettro audio, rilievi fonometrici ed altri fattori che vedremo più avanti.

Entrambi come vedremo sono divisibili in tre categorie, dipendente dal numero di capsule e loro posizionamento all’interno del microfono stesso :

1. Microfoni Monofonici ( una capsula con uno o più diaframmi mobili )
2. Microfoni Stereofonici ( due capsule con uno o più diaframmi mobili )
3. Microfoni Multicanale ( più di due capsule con uno o più diaframmi mobili )

In questa serie di articoli analizzeremo i microfoni di ripresa monofonici.
MICROFONI DI RIPRESA

Diagramma Polare e Caratteristiche Costruttive

Il diagramma polare ( fig. 2 ), è un grafico che determina l’angolazione effettiva di ripresa del microfono ed il livello di pressione sonora per differenza a seconda della frequenza presa in esame, esso è sempre indicato sulle capsule dei microfoni stessi e/o manuale d’uso. Il diagramma polare è determinato dal modello di costruzione della capsula microfonica.

Il diagramma polare è utile in termini di ripresa microfonica, come vedremo più avanti quando è necessario riprendere un determinato strumento musicale o una determinata area sonora ed è necessario isolare questo il più possibile da rumori esterni e suoni provenienti da altre direzioni allora il tipo di direttività e quindi scelta del microfono sarà di fondamentale importanza.

fig. 2

Un microfono è costituito dalla capsula microfonica e dal pre-amplificatore ( fig. 3 ).

fig. 3

La capsula è in pratica la “testa” del microfono, molto spesso si può svitare la griglia dalla base della capsula stessa in modo da inserirne un’altra per ricambio in caso di urti e danni. Altri microfoni prevedono la possibilità di cambiare completamente la capsula microfonica per inserirne un’altra nuova o con diagramma polare e/o caratteristiche tecniche differenti ( fig. 4 )

fig. 4 

n.b. In figura 4 si nota come sulle capsule siano indicati i rispettivi diagrammi polari.

Sempre in figura 4 si notano anche i pre-amplificatori ,anch’essi a volte con la possibilità di essere cambiati con altri se la capsula microfonica è compatibile per ottenere una ripresa microfonica con sonorità differenti a parità di capsula microfonica utilizzata.

Una capsula microfonica è costituita dalla griglia ( parte passiva ) ( fig. 5 ) e dal trasduttore ( parte attiva ) ( fig. 6 ), il trasduttore come vedremo avrà il compito di prelevare la pressione sonora incidente e trasformarla in impulsi elettrici corrispondenti, questo attraverso l’uso di un diaframma mobile ( materiale in lega metallica adibito al movimento corrispondente alla pressione sonora incidente su di esso ).

La parte terminale della capsula, quella che fa contatto con il preamplificatore per il trasferimento del segnale elettrico trasdotto dal diaframma mobile come si vede dalla figura 4 è di materiale placato oro od oro 24 carati ( per i modelli più qualitativi ), cosi da massimizzare la qualità di trasferimento del segnale elettrico che duri nel tempo.

fig. 5 fig. 6

Come si vede in figura 3 la griglia della capsula è alloggiata attorno al trasduttore microfonico di cui è composta la capsula al fine di isolarlo da urti, correggere la risposta in frequenza e dinamica del microfono, e regolarne il diagramma polare cancellando o attenuando suoni provenienti da certe angolazioni. Generalmente è costruita con leghe metalliche ( acciaio – alluminio – carbonio ), in modo da ottenere una maggior affidabilità con meno usure o rischio di deformazione nel tempo. In più il metallo essendo costruito con una particolare forma a ragnatela, consente sfruttando il principio della gabbia di faraday cosi realizzata, di avere una grande protezione contro le interferenze elettromagnetiche che andrebbero ad alterare soprattutto le alte frequenze. Molto meno efficaci sono invece le capsule consumer, costruite con materiali plastici.

La capsula microfonica può avere varie dimensioni e forme come quella in figura 3 e 5 e quelle in figura 4 ( dipende dal principio costruttivo e molto spesso dalle dimensioni stesse sia del diaframma che pre-amplificatore microfonico ).

Un microfono senza apposita griglia tarata e costruita a DOC avrebbe una grave carenza nella risposta alle alte frequenze già a partire da 4 Khz per diaframmi piccoli ( circa 1/2″ ) e anche meno per diaframmi più grandi ( circa 1″ ).

La stessa capsula microfonica, considerando il trasduttore microfonico ma anche la griglia microfonica è in certi casi costruita con materiale assorbente ( tessuto idrofobico ) contro l’usura nel tempo, umidità e i forti sbalzi di pressione sonora che possono incidere sul microfono alterando la risposta in frequenza e creare livelli di distorsione ( fig. 7 ).

fig. 7

Anche la parte esterna del pre-amplificatore ( per i microfoni professionali ) è costruita con leghe metalliche ( spesso nickel ma anche ottone comunque rivestito di materiale inossidabile ) per lo più per resistenza ad urti e maneggiamenti e contro interferenze esterne.

Il preamplificatore ha il compito di elevare la tensione di uscita a livelli idonei al trasferimento del segnale microfono per lunghe distanze e viene costruito ed ottimizzato per consentire la più lineare e/o ricercata risposta in frequenza, la più alta dinamica possibile, il minor contributo di distorsioni armoniche e la maggiore attenuazione possibile contro le interferenze elettromagnetiche generate dal microfono stesso. Questo viene raggiunto attraverso metodi costruttivi e materiali utilizzati, dai trasformatori passivi ai circuiti di pre-amplificazione attivi, attraverso il valore di impedenza di uscita dal microfono stesso tale da poter cosi essere ottimizzato quando interfacciato con pre-amplificatori microfonici esterni.

Il pre-amplificatore del microfono in ambiente professionale è sempre con uscita bilanciata in modo tale da consentire attraverso connessione e cavo bilanciato l’attenuazione delle interferenze elettromagnetiche esterne caricate lungo la linea ed interferenze elettrostatiche generate dal microfono e pre-amplificatore microfono a cui esso è collegato, come visto in argomento Cavi Audio Analogici III.

In ambiente audio consumer invece non è raro trovare microfoni anche con uscita sbilanciata, con ovvie caratteristiche tecniche molto più scadenti.

n.b. In caso di utilizzo di microfono professionale con uscita bilanciata se la massa della bilanciatura ( ancor più se attiva ) è scollegata o collegata male è possibile che le interferenze elettrostatiche generate dal microfono non vengano correttamente scaricate a terra, per questo se andiamo a toccare la griglia metallica o a volte anche semplicemente il corpo ( se metallo ) del microfono stesso è possibile prendere una leggera scossa ( generalmente intorno ai 9 – 10 v ). Altre volte se l’impianto elettrico ( compreso il palco per un evento live in cui sono presenti microfoni ) non è correttamente messo a massa è possibile che le interferenze elettrostatiche ed elettromagnetiche di tutte le strumentazioni collegate su quella linea ( quindi compreso quelle generate dal microfono e caricate lungo la linea microfonica ) non riescano ad essere correttamente scaricate a terra e per cui si ripercuotono sulla griglia e corpo metallico delle strumentazioni, compreso il microfono ( ancora più se attivo e condensatore ).

Per risolvere il problema la cosa migliore è quella di utilizzare un cavo e/od un microfono in cui la massa sia opportunamente collegata e la linea elettrica compreso palco e tutta la strumentazione correttamente messa a massa. A livello del microfono, se questo non è possibile si può provare a scollegare la massa dalla linea bilanciata microfonica, facendo però attenzione alla possibile presenza di interferenze elettrostatiche generate dal microfono stesso che non riescono più a scaricarsi a terra per via dell’esclusione della massa dalla connessione ( utile anche utilizzare un feltro – wind filter sulla capsula microfonica il quale essendo materiale poroso non metallico, evita il contatto diretto con la capsula microfonica e quindi l’eliminazione di eventuali scosse quanto meno prese a contatto con la capsula microfonica. Un’altra soluzione ( la più efficiente ) è quella di interporre una D.I. Box Passiva ( ad alta impedenza, con ingresso ed uscita bilanciata e con masse di ingresso ed uscita separate ) lungo la linea microfonica ed escludere la massa in uscita dalla D.I. Box, cosi che eventuali interferenze elettrostatiche caricate lungo la linea elettrica si interrompano nella D.I. Box e non raggiungano il microfono cosi da dare scossa a chi tocca la capsula o corpo metallico.

Il corpo metallico esterno del microfono è generalmente costituito da leghe metalliche come alluminio, spesso spazzolato e rifinito con colori ( esempio bianco, nero, nickel i più diffusi ma anche cromato e con grafiche personalizzate ).

Torniamo ora a parlare dei diagrammi polari, riprendendo il grafico del diagramma polare ( fig. 8 ) maggiore sarà l’area coperta dal diagramma e tanto maggiore sarà l’area di ripresa del microfono, mentre nulla sarà l’area non evidenziata e quindi 0 dB di pressione percepita dal microfono ( nella realtà 30 – 40 dB in meno rispetto all’asse di maggior sensibilità ).

Il diagramma polare è costruito su di un piano di 360° ( 180° verso sinistra e 180° verso destra ), esso rappresenta gli angoli di ripresa del microfono.

Immaginando la capsula microfonica essere posizionata nel punto centrale in asse con l’angolo 0° si ricavano i valori di sensibilità e raggio di percezione, il raggio è stabilito dalla copertura che viene tracciata sul diagramma, mentre la sensibilità viene descritta da quanto questa copertura è più o meno vicina alla capsula del diaframma, quindi maggiore distanza avrà la copertura dal centro e maggiore sarà la sua sensibilità.

Molto spesso vengono indicati i diagrammi polari in base alla frequenza, in quanto che le dimensioni costruttive del microfono stesso e del principio di trasduzione e cancellazione di fase per la creazione di diagrammi polari direttivi fa dipendere la polarità di percezione del microfono in base alla frequenza. Per chiarezza i diagrammi polari delle varie frequenze vengono evidenziati con linee e punteggiature di caratteri e colori differenti ( fig. 8 linee continue e tratteggiate per 125 hz, 250 hz, 500 hz, 1000 hz ), ( fig. 9 linee colorate da 125 hz a 19 Khz ).

fig. 8 fig. 9

Dalla figura 10 è ancora più chiaro come la frequenza faccia dipendere un diagramma polare differente.

fig.10 

Nell’esempio in figura 8 si nota come il microfono abbia un angolo di ripresa a 360 ° a tutte le frequenze prese in esame, mentre in figura 9 e figura 10 si nota come un tipo diverso di microfono abbia un diagramma polare più accentuato e direttivo ( generalmente più è alta la frequenza e più il diagramma polare sarà direttivo, in quanto le dimensioni del microfono cominceranno a dare il loro contributo in fase di riflessione ed ostacolo al passaggio del suono ).

n.b. La ripresa del diagramma polare viene eseguita posizionando il microfono all’interno di una camera anecoica, posto in aria libera ( generalmente appeso ad un cavo o asta che isoli dal trasferimento del suono da essa verso il microfono ), viene poi posto in rotazione a 360° un diffusore acustico ( gira attorno al microfono ) al quale si inviano impulsi sinusoidali a seconda di quelli per cui si vogliono visualizzare i grafici polari.

Il grafico polare è costituito da cerchi concentrici, i quali indicano un incremento o un attenuazione con step generalmente di 3 dB – 5 dB – 10 dB ( dipende dal costruttore ).

Da questi cerchi è possibile capire la differenza di sensibilità a seconda dell’angolazione di ripresa.

n.b. Quando il diagramma polare mostra una sola banda di frequenza e questa non è indicata, oppure vi è la simbologia del diagramma polare raffigurata nella capsula microfonica come in figura 4 o semplicemente scritta nel data sheet delle caratteristiche tecniche del microfono, la frequenza presa in esame è sempre quella di 1000 Hz.

In definitiva un microfono, a seconda dei metodi costruttivi può avere diagrammi polari differenti, ma considerando la frequenza, più bassa sarà e tanto più il diagramma polare tenderà ad essere omnidirezionale ( 360° ), mentre tanto più alta sarà e quindi piccola la lunghezza d’onda e tanto più il diagramma polare tenderà ad essere direttivo.

Ripresa dell’energia acustica e determinazione del diagramma polare.

Esistono varie tipologie di microfoni a seconda del metodo di ripresa e di trasduzione, ma le basi costruttive per determinare la ripresa microfonica ed il suo diagramma polare sono 2.

1. Microfono a Pressione ( fig. 11 )

fig. 11

Essendo il diaframma mobile ( vedremo più avanti la sua funzione in base alla tipologia di microfono, per adesso basti sapere che esso ha il compito di prelevare il segnale audio incidente ) al 95 % fisicamente chiuso sia da entrambi i lati che posteriormente, tale configurazione lo renderà un microfono con diagramma polare a 360° ( omnidirezionale ) ( fig. 12 ), in quanto che il diaframma non subirà variazioni di pressione sonora incidente a seconda della provenienza del suono ma li percepirà in ugual intensità ( anche se come detto nella realtà, frequenze molto alte verranno ostacolate dalla capsula stessa del microfono e risulteranno prelevate ( trasdotte in impulsi elettrici ) quelle effettivamente incidenti sul diaframma mobile ).

fig. 12

Quindi se utilizziamo un microfono a pressione su di una sorgente sonora, qualsiasi sia  l’angolo di incidenza del suono con il diaframma del microfono, il livello percepito sarà in media sempre lo stesso. E’ sempre lasciata una piccola apertura posteriore o laterale ( foro ) per far si che non vi sia una compressione d’aria durante il movimento del diaframma, che andrebbe ad alterare le vibrazioni e quindi la trasduzione.

       2. Microfono a Gradiente di Pressione ( fig.13 )

fig. 13

Come si nota il diaframma è chiuso solo alle estremità laterali, cosi facendo si avrà una perfetta trasduzione del suono proveniente direttamente e posteriormente al diaframma stesso, mentre mano a mano che ci si avvicina agli angoli di 90°, il segnale captato dal diaframma si ridurrà fino a 0 dB, in quanto la quantità d’aria percepita quando vi è pressione laterale è la medesima sia per la faccia anteriore che per la faccia posteriore del diaframma, cosi da indurlo ad un movimento nullo, come se fosse in controfase. Questa capsula cosi costruita crea un diagramma polare bidirezionale ( fig. 14 ), o comunemente chiamato anche a 8 data la forma del diagramma polare.

fig. 14 

Questo particolare metodo di ripresa è carente alle basse frequenze, quindi utile per riprendere suoni in cui la loro risposta in frequenza sia incentrata sulle alte frequenze, o in cui si voglia riprendere un certo contributo ambientale e code musicali.

La sua carenza deriva dal fatto che, finché la lunghezza d’onda della frequenza incidente sul diaframma rimane più piccola o di pari lunghezza del diaframma stesso, determinando cosi la risonanza stessa del microfono, non vi sono problemi di ripresa. Ove invece la lunghezza d’onda comincia a essere notevolmente più grande la pressione sonora tende ad aggirare il diaframma e a rifrangersi dalla parte posteriore, andando a generare cosi una controfase ( fig. 15 ). La curva di andamento in frequenza di un microfono a gradiente di pressione, può essere considerata come un filtro passa-basso di 1° ordine e quindi 6 dB / Oct.

n.b. Ogni diaframma, qualunque sia la categoria di microfono presa in esame, viene sempre costruito poggiato alle estremità su di una sospensione, che generalmente è un prolungamento dello stesso diaframma sfruttando cosi lo stesso materiale senza l’introduzione di colle, favorendo cosi una migliore dissipazione del calore generato. Queste sospensioni fanno si che il diaframma ottenga corretti spostamenti senza ondulazioni scomposte ed attriti che ne vanno ad alterare la risposta in uscita.

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