Come definire correttamente la direttività di un microfono shotgun

In questo articolo, comprendiamo come definire al meglio la direttività di questi microfoni. 

Descrivere la direttività

Quando descriviamo la direttività dei cosiddetti microfoni direzionali di primo ordine (cardioide largo, cardioide, super cardioide, ecc.), utilizziamo la forma del diagramma polare.  Tutti questi modelli polari, infatti, dovrebbero rimanere relativamente costanti a tutte le frequenze. Questo è, ovviamente, vero solo a volte e sono in alcuni casi, pur essendo l’obiettivo primario dei progettisti.

Figura 1: Diagramma di diversi tipi di modelli polari del primo ordine in scala logaritmica (scala dB).

Registriamo un diagramma polare in condizioni anecoiche (prive di riflessioni). Per farlo, il microfono è montato su un piatto girevole speciale. Quindi, un generatore di segnali crea il segnale di prova attraverso un altoparlante posizionato a una distanza alla stessa altezza del microfono. Mentre il microfono ruota, il segnale di uscita viene registrato continuamente, o per esempio ogni 5°.

Figura 2: allestimento DPA in una camera anecoica presso l'Università Tecnica della Danimarca. Cerchio giallo: microfono. Cerchio rosso: altoparlante. Cerchio blu: piatto girevole.

Ci sono due modi per misurare un diagramma polare. Può essere misurato utilizzando toni puri (onde sinusoidali) a una frequenza specifica o mediato su un certo numero di frequenze all'interno di un intervallo dato, ad es. per banda di ottava o di terzi di ottava.

In alternativa, può essere misurato utilizzando rumore (per esempio rumore rosa), che contiene tutte le frequenze prodotte simultaneamente e quindi filtrate per bande di ottava o terzi di ottava.

I microfoni di alta qualità del primo ordine presenteranno solo differenze minori tra i metodi, poiché i loro modelli sono pressoché costanti o cambiano solo leggermente nell'intero intervallo di frequenza.

I modelli polari del primo ordine sono facili da leggere poiché l'angolo di accettanza del microfono (l'angolo all'interno del quale il pickup si abbassa solo di 3 dB, chiamato anche angolo di apertura) è facile da vedere se la scala è appropriata. È più importante nell'intervallo di frequenza da 1 a 4 kHz. Di solito, l'angolo di accettanza è definito a 1 kHz se non diversamente indicato.

Figura 3: Diagrammi polari cardioidi di primo ordine con indicazione per l'angolo di accettanza (-3 dB in corrispondenza di 0° @ 1 kHz).

Studiando i diagrammi polari del primo ordine, possiamo osservareil lobo di ripresa frontale ed eventualmente un lobo posteriore se il microfono è più direzionale di un cardioide. Nel caso del diagramma a otto, i lobi anteriore e posteriore sono uguali in dimensioni.

Tuttavia, il tracciato polare diventa lobato alle alte frequenze quando osserviamo la risposta dei microfoni a tubo d'interferenza. "Lobato" o "diagramma a forma di lobo" significa che il tracciato polare ora presenta più di due lobi.

Figura 4: Esempio di tracciati polari lobati.

Può diventare molto complicato leggere i tracciati polari con molti lobi. Inoltre, non suona come sembra a meno che non si ascoltino toni puri. Il suono percepito come segnale a banda larga o stretta potrebbe differire significativamente dalle informazioni visualizzate in un tracciato polare basato su singole onde sinusoidali.

Da una prospettiva psicoacustica, l'utilizzo di rumore o frequenze mediate per bande di ottava o frazioni di ottava è migliore per le misurazioni della direttività (specialmente per i microfoni shotgun). I tracciati mediati sono più correlati alla percezione. Tuttavia, questa è una questione di gusti e pratica fintanto che si è informati sulle condizioni di misura.

Figura 5: Esempio dello stesso microfono shotgun misurato con tono puro e mediando per bande di 1/3 di ottava e 1/1 ottava.  

Fattore di distanza (DSF), fattore di direttività (DF o Q) e indice di direttività (D o DI)

Oltre ai diagrammi polari, altri termini per la direttività includono Fattore di Distanza, Fattore di Direttività e Indice di Direttività. L'uso di questi tre "fattori" per descrivere la direttività dei microfoni può sembrare piuttosto confuso. Tuttavia, acquistano significato se li osserviamo più da vicino.

Fattore di distanza

Il fattore di distanza (DSF) descrive approssimativamente di quanto possiamo posizionare un microfono direzionale rispetto a un microfono omnidirezionale per mantenere il rapporto diretto-diffuso. Può essere considerata la "portata" di un microfono in un ambiente riverberante.
 
Immaginiamo una sorgente sonora e un microfono in una stanza. Supponiamo che la distanza dalla sorgente sonora a un microfono omnidirezionale sia 1. In tal caso, un microfono cardioide può essere posizionato a una distanza 1,73 volte maggiore dalla sorgente sonora per ottenere lo stesso bilanciamento tra suono diretto e diffuso (dato che i microfoni hanno la stessa sensibilità).

Pertanto, il fattore di distanza (DSF) di un microfono cardioide è 1,73. Il fattore di distanza è legato all'ampiezza del segnale.

Ulteriori fattori di distanza sono disponibili nel diagramma seguente:

Figure 6: Distance factor (DSF) of 1st-order microphones.

Fattore di direttività

Il fattore di direttività (DF o Q) è definito come il rapporto tra l'energia raccolta sull'asse e l'energia raccolta in tutte le direzioni.

Indice di direttività

L'indice di direttività (D o DI) è il fattore di direttività (DF) in dB: (DI = 10*log DF).

La tabella seguente mostra il nome del modello polare e i corrispondenti DSF, DF, DI e angolo di accettanza.

Tabella 1: Modello polare vs DSF, DF, DI e angolo di accettanza.
*) La figura ad otto ha anche un angolo di accettanza simile sul retro.

Direttività dei microfoni a tubo d'interferenza

Come accennato, in linea di principio, il microfono a tubo d'interferenza è costituito dall'elemento cardioide del primo ordine e dal tubo.
 
Idealmente, la direttività del cardioide è costante con la frequenza, mentre il tubo d'interferenza aumenta la direttività con la frequenza.
 
Osservando la struttura si potrebbe avere l'impressione che sia il tubo esterno e le sue fessure a creare interferenza. Tuttavia, in realtà sono la griglia interna e la sua densità ad essere responsabili. Il tubo esterno è un guscio rigido che protegge la morbida griglia interna. Detto questo, il tubo esterno deve avere fessure tutt'intorno. In caso contrario, la direttività potrebbe cambiare con la rotazione del microfono.
 
Combinando i due componenti si ottiene una direttività costante fino a una determinata frequenza e un aumento al di sopra della frequenza d'angolo della direttività. Più il tubo d'interferenza è lungo, più la frequenza d'angolo è bassa. In generale, tubi d'interferenza più lunghi forniscono una direttività più elevata. Tuttavia, anche la densità della griglia influenza la direttività; questa è una delle ragioni per cui, sebbene il microfono shotgun del
​Microfono Shotgun del 2017 sembri più corto di altri, fornisce comunque un'elevata direttività.

Figura 7: Risposta teorica in direttività di uno shotgun (curva nera); qui, un ipercardioide ideale (curva blu) combinato con il tubo d'interferenza (curva rossa).

I microfoni shotgun presentano una direttività che cambia con la frequenza. Per questo è problematico definire la direttività di uno shotgun utilizzando modelli polari standard come, ad es., supercardioide. Questo termine sarebbe valido solo fino a una determinata frequenza. È invece meglio esprimere la direttività come indice DI rispetto alla frequenza, sia come curva che come valori numerici.

Figura 8: DI rispetto alla Frequenza del microfono shotgun 2017 (risoluzione elevata, banda di 1/3 di ottava e 1/1 ottava).

Tabella 2: DI e angolo di accettanza del microfono shotgun 2017 rispetto alla frequenza. (Il filtro passa-alto integrato rende irrilevante 63 Hz).

Conclusioni

Esistono diversi modi per specificare la direttività.

I microfoni standard del primo ordine sono di solito descritti dal loro modello polare - cardioide, supercardioide, ecc., poiché la loro direttività è abbastanza costante con la frequenza. Per questi microfoni, è facile leggere il diagramma polare e l'angolo di acceettanza.

I microfoni shotgun - o microfoni a tubo d'interferenza - possono essere meglio descritti dall'indice di direttività (DI), poiché questi microfoni aumentano la direttività a partire da una certa frequenza.