Microfoni – V

Categorie di Microfoni di Ripresa

Diverse sono le categorie di microfoni in base al metodo di trasduzione del segnale acustico in segnale elettrico, ma 2 sono le tipologie di microfoni a livello di trasferimento del segnale elettrico che sia via cavo o wireless :

  • Microfoni Analogici
  • Microfoni Digitali

 

Microfoni Analogici

Con il microfono analogico è possibile trasferire il segnale audio a livello elettrico via cavo ( wired ) o in radiofrequenza ( wireless ) sotto forma di onde sinusoidali e complesse.

La trasmissione del segnale a livello analogico ( in uscita dal microfono verso un dispositivo esterno ) necessità di un componente hardware in grado di prelevare questo tipo di segnale ( esempio pre-amplificatore microfonico con ingresso analogico ).

Come visto in argomento Pre-Amplificatori Microfonici l’interfacciamento tra microfono e pre-amplificatore microfonico non è definito ma segue regole di rapporto tra l’impedenza di uscita ed ingresso che ricordo avere valori ottimali da 1 : 6 in su.

 

Cenni Storici

Lo scopritore per molti l’inventore del primo microfono fu David Edward Hughes ( fig. 1 ) intorno al 1857.

fig. 1 David_Edward_Hughes.jpg

Scopritore dei contatti Imperfetti o Sciolti, dipendenti cioè dal semplice appoggio di un estremo del circuito sull’altro per azione della gravità. In figura 2 la prima invenzione e test di un microfono.

fig. 2 image006

Composto da 2 chiodi collegati ai poli + e – di un generatore ed un chiodino in mezzo che secondo l’attrazione polare del generatore in base all’avvicinamento di un magnete ad esso genera tensione di superfice sui 2 chiodini polarizzati che spostano il chiodino mobile poggiato su di essi. Vista la forma questo microfono era definito anche Microfono ad H.

L’evoluzione portò alla sostituzione dei chiodini con delle catenelle, poi mine di carbone ed infine granuli di carbone.

Il nome microfono deriva dal fatto che Hughes penso di aver trovato in acustica l’equivalente del microscopio nell’ottica, mentre in realtà il microfono non è un amplificatore ma un semplice trasduttore.

 

Microfono a Carbone o Elettroresistivo

fig. 3 museo-mezzi-cominicazione-Microfono-MARCONI-Wireless-Co.-a-granuli-di-carbone-1927 fig. 4 MICROFONO_A_CARB_4de8e043cec97

Il primo vero microfono avente forma, struttura ed utilizzo simile a come oggi lo vediamo fu creato da T.H.Edison intorno al 1875 ed era un microfono a granuli di carbone ( fig. 5 )

fig. 5 microfono

I microfoni dell’era pre-seconda guerra mondiale erano per lo più utilizzati nelle radiotelecomunicazioni e registrazioni musicali semplici ambientali o solo voce attraverso i fonografi e grammofoni, solo nel primo dopo guerra cominciarono a diffondersi anche in contesto musicale live e a livello professionale in studio di registrazione soprattutto con la nascita delle bobine magnetiche di registrazione che sostituirono in tutto e per tutto i fonografi e grammofoni.

La struttura della capsula di un microfono a carbone non è uguale per tutti ma dipende dal costruttore, si presenta come capsula dinamica, in linea di principio è composta da un cubo metallico al quale interno è presente una vasca piena di granuli e/o polveri di carbone ( fig. 6 ). In questa vasca è presente un diaframma mobile realizzato con una lamina di ferro, il diaframma è poggiato con giunti elastici alle estremità ( una volta si usavano le molle, adesso giunti elastici in gomma, pvc o poliuretano, molto più qualitativi perchè pongono meno resistenza al movimento rispetto alle molle, dissipano meglio il calore e hanno una vita più lunga ).

fig. 6 Trasmi5.jpg

In figura 7 la capsula di un microfono a carbone.

fig. 7 1321872621718Reisz8.jpg

I granuli di carbone su cui poggia il diaframma mobile, subiscono una compressione quando il diaframma si sposta verso l’interno, mentre una rarefazione quando il diaframma si muove verso l’esterno, questa compressione e rarefazione determina, data la natura del carbone, il rilascio di polveri elettriche dovute al loro sfregamento e quindi una variazione di tensione. Attraverso l’ausilio di un generatore interno al microfono questa poteva essere prelevata ed inviata ad un pre-amplificatore.

Il diaframma mobile è realizzato da una lamina di ferro in modo da mantenere una certa resistenza quando va a spingere contro i granuli di carbone, senza provocarne rottura e alterazioni distorsive dallo sfregamento. La qualità di questo microfono è molto scadente, ma può essere utilizzato ancora oggi per realizzare suoni vintage. Con il tempo è un microfono che si usura e perde le sue proprietà qualitative, in quanto che i granuli di carbone tendono a consumarsi a forza di sfregare rilasciando esclusivamente polveri. Molto spesso infatti nei vecchi telefoni con microfono a carbone quando smettevano di funzionare era perché i granuli di carbone si erano consumati, oppure irrigiditi essendo un materiale che subisce variazioni di stato a contatto con l’aria, quindi una leggera botta o scuotimento del microfono stesso poteva farlo funzionare nuovamente.

Il microfono a carbone è un microfono a spostamento, quindi la risposta in frequenza non varia al variare della velocità di movimento della bobina mobile, ma presenta risonanza in medio-alta frequenza ( risonanze naturali provocate dall’attrito del carbone ).

In figura 8 un’illustrazione dettagliata dei componenti utilizzati per un microfono a carbone.

fig. 8 92b67da318a564694de8fadea4179888db39cfe0_3_650.png

n.b. I primi microfoni a carbone erano reciproci, cio’è potevano essere utilizzati sia come microfoni che come altoparlanti, in quanto privi di trasformatore a presa centrale per la bilanciatura del segnale e di circuiti elettronici attivi. Per cui inviando un segnale all’uscita del microfono questo veniva riprodotto dal diaframma mobile del microfono.

Attualmente ciò è possibile solo nei microfoni che prevedono l’utilizzo di un trasformatore a presa centrale con bidirezionalità, come in alcuni modelli dei microfoni dinamici che vedremo più avanti.

La tensione di uscita dei più moderni microfoni a carbone ancora in produzione o di ultima generazione è abbastanza bassa di circa 1 – 5 mv, molto simile a quella degli odierni microfoni dinamici.

L’impedenza di uscita gira attorno ai 200 Ω.

La connessione di uscita è quasi sempre bilanciata su XLR, a volte su Jack trs.

La risposta in frequenza tipica di un microfono a carbone è come da figura 9.

fig. 92016-08-24_14-57-55.jpg

Si vede chiaramente l’alterazione della risposta in frequenza soprattutto in medio alta frequenza e l’inutilizzabilità delle frequenze sopra ai 5 Khz che dimostrano la scarsa efficienza del carbone in frequenza alta.

n.b. Questa risposta in frequenza è stata presa da un data sheet degli anni 30′ in cui gli strumenti di misura non erano efficienti e risolutivi come quelli odierni, in realtà la risposta in frequenza da 30 Hz a 1 Khz non è cosi lineare come si vede, ma è altalenante tra valori di + e – 5/10 dB.

Il microfono a carbone è quasi sempre costruito a pressione, quindi con diagramma polare omnidirezionale o direttivo.

Tende a creare sfasamenti sul segnale di uscita, presenta elevati rumori di fondo e quindi bassa dinamica ed alti valori di distorsione armonica.

Con interruttore

Esistono poi modelli di microfoni a carbone che prevedono l’utilizzo di un interruttore per abilitare il passaggio di segnale ( ON/OFF ) ( fig. 10 ), utili per applicazione mobili ( come interfono, talkback ), cosi da accendere e spegnere il microfono in mobilità a scelta dell’utilizzatore, senza dover dipendere da una matrice esterna.

Fig. 10 2759_sq

Sono microfoni più scadenti in quanto l’interruttore soprattutto con l’invecchiamento tende a generare rumore ed introdurre interferenze lungo la linea audio.

 

Microfono Piezoelettrico o a Cristallo

Il microfono piezoelettrico ( fig. 11 – fig. 12 ) come quello a carbone è un microfono a spostamento.

fig. 11 piezo 1 fig. 12 Classical-font-b-Piezo-b-font-font-b-Microphone-b-font-Pickup-For-Music-Guitar-Violin.jpg

Il microfono piezoelettrico è detto anche microfono a contatto in quanto che per il suo miglior rendimento è necessario porre la capsula a contatto con la sorgente da riprendere, esempio pelli dei tamburi di percussioni, corde o cassa di una chitarra acustica ( fig. 13 – fig. 14 ).

fig. 13 irigacoustic_steel-strings.jpg

fig. 14 Piezoelectric_pickup1.jpg

In figura 15 la struttura di una capsula piezoelettrica.

fig. 15 image001

Il microfono a cristallo è l’evoluzione del microfono a carbone, utilizzato soprattutto nei moderni telefoni e telefonini, ha una risposta in frequenza limitata perché per sua natura può considerarsi un filtro naturale, infatti riproduce esclusivamente frequenze alte e medio-alte ( proprio in prossimità delle armoniche vocali ). Particolari metodi costruttivi permettono poi di estendere la sua risposta in frequenza anche verso le medio-basse.

Come si vede dalla figura 15, è presente sempre un diaframma mobile ( membrana ) di materiale ferromagnetico ( piombo-zirconato di titanio ), protetto da uno schermo poroso esterno contro urti, polveri ed agenti atmosferici, tranne acqua ed umidità, utile a proteggere il diaframma da eventuali polveri che potrebbero cadere su di esso e limitarne la dinamica. Alla membrana è poi collegata una lamina di cristallo, generalmente quarzo ( più diffuso ), tormalina, sale, in quanto possiedono notevoli proprietà di rilascio elettrico quando vengono posti in vibrazione. Al filo di minerale vi sono attaccati due elettrodi con a capo un generatore in modo da prelevare la tensione generata. Quando il diaframma si muove andrà a puntellare la lamina di cristallo ponendola in movimento generando cosi un segnale elettrico corrispondente.

Una sola lamina di cristallo è molto leggera e cedevole, quindi è molto facile che arrivi al punto di rottura anche con una minima pressione applicata, a questo proposito sono costruite lamine Bimorfe e Trimorfe, in pratica doppie o triple lamine di cristallo per aumentarne la rigidità.

In uscita presentano un’impedenza molto elevata, quindi al fine di interfacciarlo correttamente con un dispositivo pre-amplificatore, tale pre-amplificatore dovrà avere un’impedenza anch’essa molto elevata ( 1 : 5 minimo, generalmente raccomandata da 1 a 5 MOhm ) in modo da non ridurre troppo il già bassissimo segnale di uscita, oppure si necessita di inserire nel circuito un trasformatore innalzatore, per aumentarne la tensione diminuendo cosi la resistenza.

Sono microfoni con risposta in frequenza poco lineare, in quanto risentono molto delle variazioni di temperatura e dell’invecchiamento, infatti per un corretto utilizzo è bene riscaldare già un po’ prima il trasduttore inviandogli nel nostro caso un segnale audio, questo aiuta a linearizzare la risposta in frequenza, almeno finché il cristallo rimane in una certa zona di temperatura.

Visto lo scopo di utilizzo ( quindi in pressione sulla sorgente sonora per catturarne le vibrazioni ) sono spesso accompagnati da un cavo già precablato internamente al piezo, di lunghezza da 0,50 m ai 4 – 5 m, altrimenti impraticabile ed inutilizzabile se dov’essere essere posizionato su di un asta microfonica.

Gli stessi Pick-up di strumenti musicali come chitarra elettrica, basso elettrico, chitarra elettroacustica sono piezoelettrici ( fig. 16 – fig. 17 ).

fig. 16 hole-pickup.jpg fig. 17 027_basspickups_crop_index.png

Anche i Trigger utilizzati nelle batterie elettroniche ( generalmente interni, fig. 18 ) e molto spesso come sensori nelle batterie acustiche ( fig. 19 ), in ogni caso collegati ad una centralina – campionatore ( o espander ) con il compito di generare tipologie di sonorità modulando il segnale in ingresso, sono microfoni piezoelettrici.

fig. 18 2-roland-v-drums.jpg

fig. 19 Clavia_ddrum4_SE.jpg

La connessione di uscita può essere varia dipendente dal costruttore, dal mini XLR ( i più professionali ma meno diffusi con la presenza del trasformatore bilanciatore con funzione di pre-amplificazione esterno ), al Jack TS ( sbilanciati, i più diffusi ), necessitano di essere interfacciati con D.I. Box ( quelli sbilanciati ) per il bilanciamento e trasferimento a lunghe distanze o interfacciati con una centralina – campionatore ( espander ) in caso si voglia dare sonorità e timbri differenti, al DIN, al BNC.

L’uscita sbilanciata può essere anche utile per riprendere il segnale ad esempio di una chitarra classica ed inviarlo ad un pre-amplificatore per chitarra cosi da amplificarne il segnale per un proprio monitoraggio ( il livello di segnale generato da un piezoelettrico è del tutto simile a quello in uscita da una chitarra elettrica o basso elettrico passivo, per questo interfacciabile con amplificatore per chitarra o basso ), oppure per inviare il segnale a delle pedaliere per chitarra e basso per inserire effetti e processamenti vari.

Tra le caratteristiche di un piezoelettrico c’è da dire che è quasi sempre costruito in pressione con diagrammi polari dall’omnidirezionale al direzionale.

La risposta in frequenza tipica è come quella in figura 20.

fig. 202016-09-07_16-41-23.jpg

Si nota l’alterazione in alta frequenza provocata dal cristallo piezoelettrico con un rendimento fino a 6 – 7 Khz, tanto poi più è piccolo il diaframma mobile e tanto minore sarà la pressione generata in bassa frequenza.

Anche il range dinamico è molto basso, smile al microfono a carbone, non più di 60 dB – 70 dB.

 

Microfono Piezoresistivo o Ceramico

I microfoni ceramici ( fig. 21 ) sono della stessa generazione di quelli minerali, infatti hanno le stesse caratteristiche sia come struttura di costruzione che di trasduzione del movimento meccanico in impulso elettrico corrispondente. Di diverso c’è che invece di utilizzare materiale minerale come generatore di tensione, utilizzano la ceramica, se pur meno efficiente del minerale ( e per questo meno utilizzato ) è in grado di generare corrente quando viene sottoposta a pressioni.

fig. 21 5413-5582179

 

Altro sui Microfoni:

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

Microfoni – II ( Altri 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 – VI ( Microfoni Dinamici, Microfoni a Nastro, Microfoni a Bobina Mobile )

Microfoni – VII ( Microfoni a Condensatore )

Microfoni – VIII ( Microfoni Valvolari, Parabole, Shotgun )

Microfoni – IX ( Microfoni PZM, Boundary Layer, Gooseneck )

Microfoni – X ( Microfoni Lavalier, Headsest, Microfoni Digitali )

Microfoni – XI ( Sub Kick, Doppio Elemento, Array di Microfoni, Microfoni di Misura, Calibratori Acustici )

Microfoni – XII ( Sonde Intensimetriche, Idrofoni, Microfoni Laser, Caratteristiche Tecniche )

Microfoni – XIII ( Aste Microfoniche, Accessori e Supporti, Pop Filter e Wind Filter, Zeppelin, Shock Mount, Reflection Filter )

 

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