So bestimmst Du die Richtcharakteristik eines Shotgun Mikrofons

Beschreiben der Richtwirkung

Wenn wir die Richtwirkung von sogenannten Richtmikrofonen erster Ordnung (breite Niere, Niere, Superniere usw.) beschreiben, verwenden wir die Form der Richtcharakteristik. Das ist möglich, weil alle diese Richtcharakteristiken bei allen Frequenzen relativ konstant bleiben sollten. Natürlich ist dies nur manchmal der Fall, aber genau das ist das Ziel der Designer.

Abbildung 1: Richtcharakteristiken 1. Ordnung in logarithmischer Darstellung (dB-Skala). 

Wir erfassen die Richtcharakteristik unter schalltoten (reflexionsfreien) Bedingungen. Dazu wird das Mikrofon auf einen speziellen Drehteller montiert. Dann erzeugt ein Tongenerator das Prüfsignal über einen Lautsprecher, der in einem Abstand auf gleicher Höhe wie das Mikrofon angebracht ist. Während sich das Mikrofon dreht, wird das Ausgangssignal kontinuierlich oder z. B. alle 5° erfasst.

Abbildung 2: DPA-Aufbau in einem schalltoten Raum an der DTU (Technischen Universität von Dänemark). Gelber Kreis: Mikrofon. Roter Kreis: Lautsprecher. Blauer Kreis: Drehteller.

Es gibt zwei Möglichkeiten, eine Richtcharakteristik zu ermitteln. Sie kann mit reinen Schwingungen (Sinuswellen) bei einer bestimmten Frequenz oder gemittelt über eine Reihe von Frequenzen innerhalb eines bestimmten Bereichs gemessen werden, d. h. pro Oktavband oder 1/3-Oktavband. Alternativ kann sie auch mit Rauschen (z. B. Rosa Rauschen) gemessen werden, das alle gleichzeitig erzeugten Frequenzen enthält und dann in Oktavbändern oder 1/3-Oktavbändern gefiltert wird.

Bei hochwertigen Mikrofonen erster Ordnung gibt es nur geringe Unterschiede zwischen den Methoden, da sich die Richtcharakteristik über den gesamten Frequenzbereich hinweg nicht oder nur minimal ändert. Richtcharakteristiken erster Ordnung sind leicht abzulesen, da der Aufnahmewinkel des Mikrofons (der Winkel, innerhalb dessen die Tonabnahme nur um 3 dB abfällt) leicht zu erkennen ist, wenn die Skala passt. Er ist im Frequenzbereich von 1-4 kHz am wichtigsten. In der Regel wird der Aufnahmewinkel bei 1 kHz festgelegt, wenn nichts anderes angegeben ist.

Abbildung 3: Nierenrichtcharakteristik 1. Ordnung mit Markierung für den Aufnahmewinkel (-3 dB re 0° @ 1kHz).

Bei der Analyse von Richtcharakteristiken erster Ordnung können wir die vordere Keule und vielleicht eine hintere Keule sehen, wenn das Mikrofon direkter ist als eine Niere. Im Fall der Achtercharakteristik sind die vorderen und hinteren Keulen gleich groß.

Bei den Mikrofonen mit Interferenzröhren wird die Richtcharakteristik bei hohen Frequenzen jedoch lobar. "Lobar" oder "keulenförmig" bedeutet, dass die Richtcharakteristik jetzt mehr als zwei Keulen aufweist.

Abbildung 4: Beispiel für lobare Polardiagramme.

Es kann sehr mühsam werden, Polardiagramme mit vielen Keulen zu lesen. Außerdem klingt das Signal nicht so, wie es aussieht, außer Du hörst reine Schwingungen. Der Klang, den Du als breit- oder schmalbandiges Signal wahrnimmst, kann sich erheblich von den Informationen unterscheiden, die in einem Polardiagramm auf Basis einzelner Sinuswellen angezeigt werden.

Aus psychoakustischer Sicht ist die Verwendung von Rauschen oder gemittelten Frequenzen in Oktavbändern oder Teilen von Oktavbändern für Richtcharakteristikmessungen besser geeignet (insbesondere bei Shotgun Mikrofonen). Die gemittelten Diagramme entsprechen eher der Wahrnehmung. Dies ist jedoch eine Frage des Geschmacks und der Übung, solange Du über die Messbedingungen informiert bist.

Abbildung 5: Beispiel für dasselbe Shotgun-Mikrofon, gemessen mit reinen Schwingungen und Mittelung über 1/3 Oktave und 1/1 Oktave.

Abstandsfaktor (DSF), Richtwirkungsfaktor (DF oder Q) und Richtwirkungsindex (D oder DI)

Neben Polardiagrammen gibt es auch andere Begriffe für die Richtwirkung wie Abstandsfaktor, Richtwirkungsfaktor und Richtwirkungsindex. Die Verwendung dieser drei "Faktoren" zur Beschreibung der Richtwirkung von Mikrofonen, mag etwas verwirrend erscheinen. Sie werden aussagekräftig, wenn wir sie genauer betrachten.

Abstandsfaktor

Der Abstandsfaktor (DSF) beschreibt grob, wie weit ein Richtmikrofon im Vergleich zu einem Kugelmikrofon entfernt positioniert werden kann, um das Verhältnis von Direkt- zu Streufeld beizubehalten. Er kann als die "Reichweite" eines Mikrofons in einer halligen Umgebung angesehen werden.

Stell Dir eine Schallquelle und ein Mikrofon in einem Raum vor. Nehmen wir an, der Abstand von der Schallquelle zu einem Mikrofon mit Kugelcharakteristik beträgt 1. In diesem Fall kann ein Mikrofon mit Nierencharakteristik 1,73 Mal so weit von der Schallquelle entfernt aufgestellt werden, um das gleiche Verhältnis zwischen Direkt- und Diffusschall zu erreichen (vorausgesetzt, die Mikrofone haben die gleiche Empfindlichkeit).

Der Abstandsfaktor (DSF) eines Nierenmikrofons ist also 1,73. Der Abstandsfaktor ist abhängig von der Amplitude des Signals. Weitere Abstandsfaktoren findest Du im Diagramm unten.

Abbildung 6: Abstandsfaktor (DSF) von Mikrofonen 1. Ordnung.

Richtwirkungsfaktor

Der Richtwirkungsfaktor (DF oder Q) ist definiert als das Verhältnis zwischen der auf der Achse aufgenommenen Energie und der aus allen Richtungen aufgenommenen Energie.

Richtwirkungsindex

Der Richtwirkungsindex (D oder DI) ist der Richtwirkungsfaktor (DF) in dB: (DI = 10* log DF).
Die folgende Tabelle zeigt die Bezeichnung der Richtcharakteristik und die dazugehörigen Werte DSF, DF, DI und Aufnahmewinkel.

Tabelle 1: Richtcharakteristik im Zusammenhang mit DSF, DF, DI und Aufnahmewinkel.
*) Die Achterfigur hat auch einen ähnlichen Öffnungswinkel wie die Rückseite.

Richtwirkung von Interferenzrohrmikrofonen

Wie bereits erwähnt, besteht das Interferenzrohrmikrofon im Prinzip aus dem Nierenelement erster Ordnung und dem Rohr. Im Idealfall ist die Richtwirkung der Niere mit der Frequenz konstant, während das Interferenzrohr die Richtwirkung mit der Frequenz erhöht. Der Blick auf das Design könnte den Eindruck erwecken, dass das Außenrohr und seine Schlitze Interferenzen erzeugen. Tatsächlich sind aber das innere Gewebe und seine Struktur dafür verantwortlich. Das Außenrohr ist eine harte Oberfläche, die das weiche Innengewebe schützt. Das heißt, das Außenrohr muss rundherum geschlitzt sein. Andernfalls kann sich die Richtwirkung durch die Drehung des Mikrofons verändern.

Die Kombination der beiden Komponenten ergibt eine konstante Richtwirkung bis zu einer bestimmten Frequenz und eine Anhebung oberhalb der Eckfrequenz der Richtwirkung. Je länger das Interferenzrohr wird, desto niedriger wird die Eckfrequenz. Im Allgemeinen bieten längere Interferenzrohre eine höhere Richtwirkung. Das ist ein Grund dafür, dass das 2017 Shotgun Mikrofon zwar kürzer aussieht als andere, aber trotzdem eine hohe Richtwirkung hat.

Abbildung 7: Theoretische Richtcharakteristik eines Richtrohrs (schwarze Kurve); hier eine ideale Hyperniere (blaue Kurve) in Kombination mit dem Interferenzrohr (rote Kurve).

Shotgun Mikrofone haben eine Richtcharakteristik, die sich mit der Frequenz ändert. Deshalb ist es problematisch, die Richtcharakteristik einer Shotgun nach Standard-Richtcharakteristiken wie z.B. Superniere zu benennen. Dieser Begriff wäre nur bis zu einer bestimmten Frequenz gültig. Stattdessen ist es besser, die Richtwirkung als DI im Verhältnis zur Frequenz entweder in einer Kurve oder in Zahlen auszudrücken.

Abbildung 8: DI im Vergleich zur Frequenz des 2017 Shotgun Mikrofons (hohe Auflösung, 1/3-Oktaven-Band und 1/1-Oktave-Auflösung).

Tabelle 2: DI und Aufnahmewinkel des 2017 Shotgun Mikrofons im Abhängigkeit von der Frequenz. (Der eingebaute Hochpassfilter macht 63 Hz irrelevant).

Fazit

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Richtcharakteristik zu beschreiben.

Standardmikrofone 1. Ordnung werden in der Regel durch ihre Richtcharakteristik beschrieben - Niere, Superniere usw., weil ihre Richtwirkung mit der Frequenz ziemlich konstant ist. Bei diesen Mikrofonen ist es einfach, die Richtcharakteristik und den Öffnungswinkel abzulesen.

Shotgun-Mikrofone - oder Interferenzrohrmikrofone - lassen sich besser durch den Richtwirkungsindex (DI) beschreiben, da bei diesen Mikrofonen die Richtwirkung ab einer bestimmten Frequenz ansteigt.