Microfoni – II

Cardioide, Supercadioide, Ipercardioide

Sfruttando il principio di costruzione di una capsula a pressione e andando a modificarne l’apertura posteriore per minimizzare la compressione ed inserendo all’interno della capsula stessa materiali assorbenti ed/od ostacoli riflettenti ( fig. 1 ), si può andare a variare ulteriormente la polarità di ripresa di un microfono.

fig. 1 2016-07-04_16-13-30

I diagrammi polari genericamente risultanti da questo principio costruttivo possono essere di 3 tipologie fondamentali:

 

  1. Cardioide avente massima sensibilità frontalmente e minima sensibilità posteriormente con – 6 dB di sensibilità rispetto al fronte esattamente a 90° e 270° ( fig. 2 ). È chiamato cardioide per la forma del diagramma polare simile a quella di un cuore.

fig. 2 Polar_pattern_cardioid-opt.jpg

n.b. Come detto nell’articolo precedente, il diagramma polare illustrato nelle specifiche dei vari microfoni è quasi sempre misurato e calcolato ( anche tarato ) a 1000 hz. Per frequenze superiori il microfono tenderà ad essere più direttivo, mentre per frequenze inferiori più omnidirezionale. E questo lo si può anche facilmente testare parlando in asse a 0° sul microfono e poi via via spostarsi verso angoli superiori.

 

Delay Network

Per quanto riguarda il principio dei materiali assorbenti ed ostacoli riflettenti chiamati ( delay network ) posti all’interno della capsula microfonica, quando un suono proveniente dalla zona posteriore entra nel microfono, questo andrà ad incidere contro tali pareti che oltre ad attenuare il suono andranno a creare un ritardo di fase prima che il suono attraversi tali ostacoli ed incida posteriormente sul diaframma. Questa inversione di fase fa si che un suono proveniente posteriormente si vada ad annullare con quello in fase incidente anteriormente. Tanto più il suono proviene verso l’asse a 0° della capsula microfonica e tanto minori saranno le interferenze di fase, quindi una zona di ripresa con maggiore intensità.

L’annullamento da controfase avviene all’interno della capsula e non sul diaframma, altrimenti si genererebbero forti alterazioni della risposta.

In realtà una polarità direttiva creata con delay network genera sempre un lobo posteriore, questo perché tali delay non riescono a portare in controfase segnali provenienti da piccole angolature fuori asse posteriormente, ed essendo tarati per una determinata frequenza la controfase verrà a meno a frequenze con diverse lunghezze d’onda ( generalmente si ritroveranno in fase e sarà quasi nullo l’effetto dei delay network e quindi ci sarà un aumento della sensibilità sul piano posteriore a frequenze con lunghezza d’onda tripla e/o quadrupla superiore e/o inferiore rispetto a quella tarata per avere la piena controfase, quindi tre o quattro ottave sopra e/o sotto, mentre per ottave e frequenze di ordine superiore o inferiore questo sarà poco rilevante e varranno i concetti di diffrazione e riflessione indotti dalle dimensioni e struttura del microfono stesso, come detto più la frequenza è bassa e più la polarità tenderà ad essere omnidirezionale e viceversa ).

In figura 3 si vede chiaramente come da 250 hz a 1000 hz il delay network dia le sue massime prestazioni offrendo un diagramma polare cardioide ( linea verde ).

fig. 3 2016-07-04_17-34-01.jpg

Da 2000 hz a 4000 hz ( 1° e 2° ottava di ordine superiore ai 1000 hz ) si vede già come il delay network perda efficienza e la direttività cardioide cominci a deformarsi ( linea rossa sulla destra ).

A 16000 hz come detto ( ottava superiore di 4° ordine rispetto a 1000 hz ) il delay network ha perso completamente la sua efficienza ed entra in gioco il suono posteriore ed anteriore in fase e le dimensioni costruttive stesse del microfono ( linea azzurra ).

A 125 hz ( linea rossa sulla sinistra ) è chiaro come frequenze con lunghezza d’onda molto elevata rispetto alle dimensione del diaframma microfonico tendano a diventare sempre più omnidirezionali.

Come visto anche nel precedente articolo per lunghezze d’onda superiori a quelle del diaframma ( frequenze basse ), un suono proveniente dalla direzione frontale oltre che incidere sul diaframma si ripresenterà anche in ingresso dalle pareti laterali e zona posteriore, con polarità invertita, questo segnale quindi considerando una capsula microfonica direzionale passerà attraverso il circuito di ritardo ( il materiale utilizzato non riesce generalmente ad attenuare e ritardare la fase di queste lunghezze d’onda ) e si ritroverà in fase con il segnale frontale, aumentando cosi la sensibilità del microfono.

A questo punto si può dire che in ripresa frontale, un microfono con polarità direzionale è più sensibile di uno con polarità omnidirezionale ( vedremo poi i coefficienti di sensibilità dei microfoni in base al tipo di direttività polare ).

Variando le caratteristiche dei delay network è possibile stringere o allargare la direttività a scapito di una coda posteriore generata ( tanto più si cerca di stringere la direttività e tanto più sarà presente una coda di sensibilità posteriore alle frequenze sopra elencate ).

Analizzando meglio un delay network, si può definire che la loro efficacia sia maggiore alle alte frequenze, in quanto come da legge fisica il tempo di ritardo per invertire la fase di una frequenza dipenderà proprio dalla sua lunghezza d’onda. Infatti per invertire la fase di frequenze alte basta applicare un piccolissimo ritardo, intorno ai 0,1 ms, mentre per le basse si arriva anche a 1 ms e più.

L’utilizzo dei delay network può andare bene per un qualsiasi tipo di microfono tranne che per quello a condensatore ( principio di trasduzione del segnale acustico in elettrico che vedremo più avanti ), in quanto come vedremo utilizzando un condensatore come trasduttore, l’armatura posteriore si presenta già come ostacolo al suono proveniente posteriormente, cosi da impedire l’utilizzo di delay network in modo efficace e corretto. Per realizzare una direzionalità in un microfono a condensatore ( molto spesso più efficiente dei delay network ), più che sfruttare l’armatura posteriore viene posto un ulteriore condensatore, invertito di fase e miscelato elettricamente ( a volte utilizzando anche un circuito elettrico di ritardo ) al segnale anteriore in fase, cosi da annullare la sensibilità posteriore, pur sempre presente con un lobo posteriore anche se di dimensioni inferiori a quelli generati con il delay network.

Quindi variando la correlazione di fase tra i suoni prelevati dai due condensatori si regolerà di conseguenza anche il diagramma polare.

n.b. Una tecnica molto utilizzata ad oggi anche per ottenere direttività in diffusori acustici omnidirezionali.

Questa tecnica è stata poi studiata ed analizzata anche su altre tipologie di trasduttori microfonici, in quanto più qualitativa, ma soprattutto in quelli dinamici ( i più utilizzati in campo professionale insieme ai condensatori ), i risultati ottenuti però sono più scadenti, in quanto che nel microfono dinamico come vedremo c’è la presenza di un campo magnetico variabile ( mentre dovrebbe essere il più stabile possibile ), a differenza del condensatore in cui cè una differenza di carica elettrostatica ( ed un campo magnetico stabile ).

 

2. Supercardioide avente massima sensibilità frontalmente e minima sensibilità posteriormente a 120° e 240° ( prossimo allo 0 dB in asse ) ( fig. 4 ).

fig. 4  600px-Polar_pattern_supercardioid.png

E’ chiamato supercardioide per via della più spiccata direttività del diagramma polare cardioide. Questo diagramma polare come si vede in figura 4 presenta una coda posteriore con valori di sensibilità maggiore a 180° ( generalmente – 10 dB, – 15 dB, rispetto alla sensibilità in asse a 0° ). La presenza di una coda posteriore ( meno presente nelle capsule a condensatore ) è dovuta all’instabilità dell’efficienza dei delay network o altri materiali e tecniche fino ad ora utilizzate per generare un diagramma polare direttivo. Come detto tanto più si utilizzeranno materiali assorbenti e metodi costruttivi per cercare di stringere la zona di ripresa di un microfono e tanto più si creeranno questi lobi di ripresa posteriore.

Il campo magnetico variabile di capusle dinamiche genera lobi posteriori di maggiore intensità rispetto a quello del campo elettrico stabile di una capsula a condensatore.

 

           3. Ipercardioide avente massima sensibilità frontalmente e minima sensibilità posteriormente a 110° e 250° ( prossimo allo 0 dB in asse ) ( fig. 5 ).

fig. 5  600px-Polar_pattern_hypercardioid.png

L’ipercardioide è la massima espressione di direttività di un microfono direzionale a pressione, ed anche un limite visto il grande lobo posteriore che tende quasi a creare un diagramma polare bidirezionale.

Anche questo digramma polare presenta una coda posteriore, con valori di sensibilità maggiore a 180° ( generalmente – 5 dB, – 10 dB, rispetto alla sensibilità in asse a 0° ).

n.b. A livello di ripresa musicale è meno utilizzato del cardioide e del supercardioide in quanto pur avendo una sensibilità maggiore, consente un angolo di ripresa con risposta in frequenza e dinamica lineare più limitato, non chè per via del grosso lobo di ripresa posteriore non isola correttamente dai rientri di eventuali altri strumenti e fonti riverberanti che in alcuni contesti come quello live potrebbero creare problemi di mixaggio ed innesco larsen, quindi non adatto a questo scopo. Utile ed utilizzato per lo più come anche il microfono bidirezionale, come vedremo, per riprese stereofoniche ed in studio di registrazione.

Come e quale tipo di microfono utilizzare a seconda del diagramma polare per riprendere dei suoni ( es. strumenti musicali e voce ) lo vedremo in successive argomentazioni.

 

Esiste infine una variante, se pur meno diffusa del diagramma polare cardioide, il Wide Cardioide ( fig. 6 ).

fig. 6 Meteor_polar-280

Il Wide Cardioide come da figura 6 presenta in media – 10 dB di sensibilità rispetto al lobo centrale su tutta la zona posteriore, come il cardioide può esistere poi anche il Wide Supercardioide e Wide Ipercardioide.

I diagrammi polari Wide sono per lo più utilizzati nei microfoni a condensatore, che vista l’efficienza di cancellazione della fase sul lato posteriore, permettono di costruire diagrammi polari con bassissimi valori di lobi posteriori a scapito però di una minor direttività sul piano frontale.

Su queste basi, giocando sempre sui delay network o condensatori e fori per il controllo della pressione d’aria è possibile creare i più svariati diagrammi polari come quelli in figura 7 – 8 – 9 – 10. C’è da dire poi che il tipo di diagramma polare va a determinare tra le tante cose anche le caratteristiche di risposta in frequenza, dinamica e distorsione del microfono in base all’asse di incidenza del suono, per cui un costruttore in fase di progetto tiene conto di tutti questi fattori.

fig. 7 EV623PP fig. 8  neu_bcm705_polar.jpg

fig. 9 NDYM868-Polar-Pattern fig. 10 fig2

 

Capsula Intercambiabile

Esistono poi microfoni in cui è possibile cambiare direttamente la capsula per variarne la polarità mantenendo il pre-amplificatore, microfoni molto più pratici ma allo stesso tempo costosi e generalmente di qualità.

 

Diagrammi Polari Multipli

Esistono microfoni che possiedono un doppio diaframma interno ( generalmente in quelli a condensatore ), per l’ottenimento di 2 diagrammi polari, in modo che, attraverso la combinazione di tali diagrammi è possibile ottenerne uno con polarità scelta tra quelle appena viste. Tale sistema è stato inventato dalla Neumann attorno agli anni ’50.

Generalmente lavorano 2 diagrammi polari cardioidi.

In figura 11 un esempio di microfono con la possibilità di selezionare il diagramma polare desiderato.

fig. 11  AKG C414XLS

Utilizzando due diagrammi polari cardioidi in fase è possibile ottenerne uno omnidirezionale ( fig. 12 ), questo in quanto la polarità posteriore non viene invertita di fase nel suo percorso elettrico, quindi se ci sono due zone di compressione una anteriore e una posteriore si ha una completa correlazione di fase che ne induce un diagramma polare omnidirezionale.

Un problema potrebbe venir fuori nel caso ci si trovi con un diaframma in zona di compressione e l’altro opposto in zona di rarefazione, in teoria, si creerebbe un annullamento ma in pratica data la complessità di fase di un’onda complessa, tale problematica è trascurabile.

fig. 12  Polar_pattern_cardioid-opt + Polar_pattern_cardioid-opt600px-Polar_pattern_omnidirectional-300x300.png

Mentre utilizzandoli sottraendo il primo rispetto al secondo se ne ottiene uno bidirezionale ( fig. 13 ). Quindi in configurazione naturale senza inversioni di fase, in quanto il segnale di uguale intensità che incide sui due diaframmi, quando viene miscelato essendo uno in controfase all’altro si annullerà. Variando il ritardo di fase tra una capsula e l’altra si può allargare l’immagine bidirezionale con una conseguente maggiore perdita di intensità laterale.

fig. 13 Polar_pattern_cardioid-opt Polar_pattern_cardioid-opt600px-Polar_pattern_figure_eight.png

Utilizzando invece solo un diaframma è possibile sfruttare la polarità cardioide.

Per questo un microfono multipolare è generalmente in grado di gestire fino a 3 diagrammi polari, variando poi eventuali correlazioni di fase, tempi di ritardo e sensibilità tra le due capsule si possono realizzare ed aggiungere anche diagrammi polari supercardioide, ipercardioide ed altri.

Alcuni microfoni a diagramma polare variabile come quello in figura 14, presentano una modalità chiamata Dual Mode Output, che consente di prelevare in registrazione il segnale ripreso dai due diaframmi attivi per la generazione del diagramma polare bidirezionale in modo separato (tale da avere un tipo di ripresa stereofonico), per poi tramite l’utilizzo di un apposito software (fig. 15 ), gestire il giusto mix tra il fronte ed il retro per la creazione di un profilo polare personalizzato (questo avviene tramite linterazione di fase ed ampiezza tra i due segnali), tra quelli proposti, ma anche la regolazione del contributo stereofonico ed ambientale.

Fig. 14 lewitt-lct640ts.jpg

Fig. 15 cxvcxvxc.JPG

 

Altro sui Microfoni:

Microfoni – I ( Principio di Funzionamento, Tipologie di Microfoni, Microfoni di Ripresa, Diagrammi Polari )

Microfoni – III ( Caratteristiche Polari, End e Side Fire, Wired e Wireless, Diaframma Mobile, Altre tipologie di Diaframma )

Microfoni – IV ( Microfoni di Velocità e Spostamento, Larsen e Feedback, Posizionamento di Monitor, Effetto Prossimità, Comb Filtering, Doppio Diaframma Mobile, Sospensioni Mobili )

Microfoni – V ( Categorie dei Microfoni di Ripresa, Microfoni Analogici, Cenni Storici, Microfoni a Carbone, Microfoni Piezoelettrici, Microfoni Ceramici )

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