Kategorie: Ozvučení a elektronika

Ozvučení akustické kytary pomocí elektretového mikrofonu

Potřeboval jsem ozvučit kytaru, celkem kvalitní celomasiv a chtěl jsem akustický zvuk. Podmínkou bylo nezasahovat do kytary – taková kytara s amatérsky dobastleným snímačem velmi ztrácí na hodnotě. Po mnoha pokusech a omylech jsem zjistil, že "to pravé" je mikrofon, protože z různých piezo či magnetických (cívkových, např. humbucker) snímačů leze zvuk, silně připomínající elektrickou kytaru, což není to pravé. Jenže kam a jak umístit mikrofon a jaký, toť otázka, na kterou lze najít tisíc odpovědí – prakticky každý doporučuje něco jiného.

Jaký mikrofon bude vhodný?

Často jsou používány miniaturní elektretové kapsle. Kmitočtově jsou velmi vhodné – základní tóny, produkované kytarou mohou být v rozsahu 82,4 - 1046,5 Hz. 95% energie každého tónu kytary je v rozsahu do 7. harmonické, tj. pokud mikrofon pracuje kmitočty v rozsahu přibližně 80 – 7330 Hz zaručí, že kytara bude znít věrně.

 

Mikrofon MCE-2500
Mikrofon MCE-2500 (Panasonic) patří k nejkvalitnějším i přes své miniaturní rozměry
(průměr 6 mm, výška 2,7 mm)

 

Zapojení vývodů MCE-2500

Mikrofon MCE-2500 (Panasonic)
zapojení vývodů

Následující obrázek znázorňuje kmitočtovou charakteristiku běžně dostupných elektretových kapslí, jejichž cena se pohybuje v rozpětí 5 – 50 Kč.

Kmitočtová charakteristika elektretového mikrofonu MCE-2500

I přes svoji cenu nejsou tyto mikrofony nikterak méněcenné, z principu jde o kondenzátorový mikrofon, u něhož je elektrické pole, nezbytné pro funkci, vytvářeno elektretem, tedy nevodivou hmotou, která je permanentně elektricky nabitá. V rytmu pohybu elektretové membrány se mění kapacita kondenzátoru a tím i napětí mezi deskami. Změny napětí musejí být zpracovávány předzesilovačem s vysokou vstupní impedancí (zpravidla s tranzistory FET), který je proto součástí mikrofonu. Takový mikrofon tedy ve většině parametrů zpravidla není horší, než mnohonásobně dražší kondenzátorové mikrofony, s jeho použitím jsou však spojeny určité problémy:

  • vnitřní tranzistor FET musí být velmi kvalitní, zejména v šumových parametrech. Cenové rozdíly mezi jednotlivými typy mikrofonů jsou dány právě cenou tohoto tranzistoru.
  • vlastnosti vnitřního tranzistoru FET také ovlivňují dynamický rozsah mikrofonu. Kritická situace je zejména při velkých (hlasitých) signálech. Elektretové mikrofony byly původně navržené pro napájecí napětí 1,5 V, vnitřním zesilovačem s FET má téci 0,5 mA. Za těchto podmínek dochází k limitaci (clippingu) při akustickém tlaku (SPL, Sound Pressure Level) <90 dB, což je poměrně málo – např. při tlesknutí do mikrofonu dosahuje nebo známém "ááááá" signál snadno dosáhne hodnot, při nichž dochází k limitaci. Dynamický rozsah je tedy jediným parametrem, který je u těchto levných elektretových kapslí horší, než u studiových kondenzátorových mikrofonů – elektretový mikrofon tedy sotva vyhoví např. pro zpěv.
    Dynamický rozsah mikrofonu lze zvětšit zvýšením napájecího napětí. Proud, tekoucí vnitřním tranzistorem FET, však nesmí přesáhnout 1 mA, jinak mikrofon zničíme. Maximální SPL se při napájení 18V (tj. napájíme ze dvou baterií 9V přes odpor 18 kohm) dostane přes 100 dB, výstupní napětí dosahuje až 1,6 V RMS. Problém tím však vyřešen není, protože nás zajímá i oblast signálů před limitací, tj. odpovídající SPL přibližně o 20 dB nižší, kde by se mohlo významněji zvýšit zkreslení. Dynamika signálu, produkovaného kytarou však není tak velká, krajních hodnot SPL dosáhneme pouze při velmi agresivním úderu trsátkem do strun, dřív však dojde spíš k drnčení strun, než ke vzniku slyšitelného zkreslení.
  • je třeba počítat s tím, že elektretový mikrofon odpovídá "malomembránovému" kondenzátorovému mikrofonu. Známý věrný "teplý" zvuk tedy mít nebude, bude však mnohem víc "akční" díky nepatrné hmotě elektretové membrány. To ovšem ve spojení s akustickou kytarou není nijak na závadu, spíš naopak.
Je patrné, že vyhoví většina z nich. Volba nakonec padla na MCE-2500 (Panasonic), který patří k nejkvalitnějším a bývá běžně dostupný např. v prodejnách GES. Rod Elliott, který vyvinul soupravu pro nahrávání či pro měřicí účely s tímto mikrofonem hodnotí výsledek takto: "It won't be the equal of a Neumann or other expensive studio microphone, but it won't set you back over $1,000 either :-)"

Umístění mikrofonu
Pokud je mikrofon umístěn vně kytary, snímá celé okolí. Hlavní nevýhodou je však skutečnost, že velkou roli hraje poloha mikrofonu a jeho vzdálenost od kytary. Pokud to dovolí okolnosti a můžete hrát vsedě, není to až takový problém, pokud máte kvalitní mikrofon s kardioidickou směrovou charakteristikou. Pokud ale musíte hrát vestoje, nemůžete třeba udělat úkrok stranou, pokles hlasitosti by byl takový, že to žádný kompresor nedorovná (nehledě k tmu, že kompresor velmi často není možné použít, hra ztrácí dynamiku). Různé svorky, připevněné na kraj kytary, ke kterým je fixován mikrofon (nejčastěji klipsový, kondenzátorový) buď na husím krku nebo na nějakém neohrabaném lešení, to také není to pravé. Taková "opičárna" může dost vadit, tu a tam do toho vrazíte, což provází nepěkný zvukový efekt, navíc nahození takto vyšperkované kytary na popruh poněkud připomíná oblékání potápěčského skafandru … ne, děkuji, zamítnuto. Vnitřní mikrofon je věc velmi zrádná. Většinou bývá upevněn na husím krku, což umožňuje určitou korekci polohy. Je však poměrně málo řešení bez zásahu do kytary a něco podobného, jako např. Miniflex Model 2 se mi nechtělo dělat a už vůbec ne kupovat. Cena tohoto řešení není úměrná, když si uvědomíme, že zvuk u Miniflexů snímají elektretové kapsle (popsané výše), které koupíte v každé lepší prodejně součástek po pětikoruně. Husí krky nedrží stabilní polohu, někdy mohou vibrovat a způsobovat nežádoucí pazvuky. Navíc je tu známý problém s "vazbením".

Při hledání vhodného řešení jsem narazil na US Patent 4748886 z roku 1988 "Sound pickup assembly for an acoustic string instrument and including a foam pad element supporting microphones" (stáhnout zde). Za tímto dlouhým názvem se skrývá jednoduchá finta – do ozvučného otvoru se nacpe kus molitanu, v kterém jsou v tomto případě zapíchnuty dva mikrofony. Jeden z nich míří směrem ke kobylce, druhý (na druhé straně molitanového bloku) opačným směrem. Každý z mikrofonů má svůj samostatný předzesilovač, výstupní signály lze sfázovat (příp. zapojit v protifázi) a tím dosáhnout např. prostorového efektu nebo naopak potlačit tzv. "koupelnový efekt" (ozvěnu uvnitř kytary) apod. Řešení dle uvedeného patentu vypadá takto:
US Patent 4748886

Ozvučný otvor kytary je tedy "ucpán" molitanem, což se ukazuje jako velmi účinná prevence akustické zpětné vazby. Molitan je také ideálním držákem mikrofonu, který naprosto nemá šanci jakkoli vibrovat. Nemusíte shánět drahý mikrofon s kardioidickou charakteristikou, levné elektretové kapsle jsou všesměrové (omnidirectional, omni) a pokud je mikrofon utlumen z jednoho směru molitanem, bude výsledná směrová charakteristika celé soustavy "bramboroid", ať je mikrofon jakýkoli.

Otázkou je, jak (negativně) ovlivní molitan zvuk kytary. Situace kolem kmitání rezonanční desky je u skutečné kytary mnohem složitější, než se zdá, neboť rozložení amplitudy v jednotlivých částech desky je kmitočtově závislé a uplatňují se zde různé - příčné i podélné - módy vybuzení. Více informací najdete v diplomové práci Stephena M. Proberta na University of Washington v roce 2007 (stáhnout zde). Teoretický rozbor, obsahující mj. testování různých materiálů, počítačové analýzy a optimalizace a konečný návrh kytary lze najít v pracích Jonathana Hillera (stáhnout zde a zde). Následující obrázek, na kterém jsou holografické interferogramy (převzato z T. J. W. Hill et al..,"Acoustical Parameters for the Characterisation of the Classical Guitar," Acta Acustica United with Acustica 90 (2004), str. 335) napovídá, že budou částečně tlumeny pouze určité frekvence v okolí 350 Hz, což jde dorovnat ekvalizérem.
 
 
Holografické interferogramy přední desky kytary, vybuzené různými kmitočtyHolografické interferogramy přední desky kytary, vybuzené nižšími kmitočty.

 
Interferogramy - vyšší kmitočty

Pro vyšší kmitočty vypadají holografické interferogramy poněkud složitě.
S kmitočtem přibývá nódů (uzlů) a vybuzené oblasti se zmenšují.

První zkoušky ukazují, že takto "upravená" kytara akusticky moc nehraje. Molitanová vložka je mnohem účinnější, než běžná tlumítka, která jsou k dostání v hudebninách. Instalace vložky s mikrofonem je však velmi snadná, jedinou nepříjemností je nutnost povolení strun. Jistou nevýhodou je však poněkud neestetický vzhled ucpaného ozvučného otvoru. Na jednom diskusním fóru jsem našel elegantní řešení, kdy je do kytary vloženo jakési molitanové mezikruží (chcete-li, trubka). Ta není na první, velmi zběžný pohled vidět, ale plní funkci držáku i antivazebního tlumiče stejně, jako blok molitanu. Jak to vypadá, ukazuje obrázek:

 

Hotové řešení

Výhodou je rovněž i snadnější vyvedení přívodních kabelů k mikrofonům. V diskusi bylo doporučováno jeden mikrofon umístit tak, aby mířil ke kobylce a druhý opačným směrem. Jiné doporučení se týkalo mikrofonů, umístěných v osách, svírajících úhel 90o nebo 120o. Optimální výška mikrofonů, tj. vzdálenost mezi koncem podkobylkového bloku a osou mikrofonu je 2,5 cm.

Naznačené řešení je natolik jednoduché a levné, že se vyplatí ho vyzkoušet. První zkoušky u mě s mikrofonem horší kvality (původně určeným pro Skype) a bez předzesilovače (preampu), resp. s předzesilovačem v mikrofonním vstupu standardní zvukové karty, integrované na základní desce počítače, nevypadají vůbec špatně. Připravuji testy s mikrofonem Panasonic MCE-2500 a nízkošumovým předzesilovačem, jakmile budou hotové, zařadím sem ukázku.

Vydáno: 7.8.2011 3:41 | 
Přečteno: 11176x | 
Autor: Martin
 | Hodnocení:

Komentáře rss

Přidat komentář >

, Dobrý deň odpovědět
avatar
chcel by som sa spýtať na akustické vlastnosti gitary, pokiaľ je v nej iba tá molitanová "trubka". Na gitare často hrávam čisto akusticky a záleží mi na akustickom zvuku. Jednu vec som nepochopil, aj keď podľa komentárov ju všetci očividne pochopili, a tou je: v tej molitanovej trúbke sú zasunuté dva elektretové mikrofóny MCE 2500?
Ďalšou mojou otázkou je, a ospravedlňujem sa za také množstvo dotazov, bolo by možné niečo takéto? -v gitare mám aktívnu elektroniku B band A5t s ktorou však vôbec nie som spokojný (berie mi tri hrubé struny neúmerne silno oproti tenkým a nie je žiaden problém s polohou piezopásiku). chcel by som vedieť či ten preamp b band, by bolo možné použiť ako predzosilňovač pre tieto mikrofóny. Mal by som totiž predstavu to používať v kombinácií s Seymour Duncan Woody HC, ktorý som si práve objednal.
icon odpověděl(a)
Martin
Čtěte pozorněji, pěkně prosím. V článku uvádím: "První zkoušky ukazují, že takto "upravená" kytara akusticky moc nehraje". Jednoznačněji to opravdu napsat neumím - pokud budete hrát čistě akusticky, bude třeba molitanovou trubku vyndat. K mikrofonům - ano, jsou zasazené do molitanu, jak naznačuje obrázek. Lze použít jeden nebo dva mikrofony, pokud použijete dva, má to smysl jen tehdy, pokud dokážete jejich signál správně nafázovat a tím vytvořit prostorový dojem. Obvodové řešení zde popisovat nemohu, to je opravdu mimo uvažovaný rámec článku - ten je ostatně určen jako námět k experimentování pro ty, kteří mají zkušenosti s vývojem a konstrukcí elektronických zařízení a mají v tomto oboru praxi. Nemáte-li zkušenosti, pravděpodobně neuspějete.

K preampu B band - očekával bych, že to fungovat nebude. Preamp pro piezosnímač mívá vyšší vstupní impedanci a je přizpůsoben výstupní úrovni signálu z piezosnímače, které v nezatíženém stavu bývá ~500x vyšší, než výstupní úroveň signálu elektretového mikrofonu. Po zatížen se to značně změní, piezosnímač je zatížen vstupní impedancí preampu, čím výstupní úroveň z piezoelementu poklesne (výchozí hodnoty - vstupní impedance preampu 0,5 Mohmu způsobí pokles výstupní úrovně z piezoelementu na cca 1/10, impedance vlastního piezoelementu je opravdu extrémně vysoká, dokonce tak vysoká, že nastávají problémy i při měření). Pokles úrovně signálu není vadou, počítá se s ním a preamp by měl být navržen tak, aby byl schopen s minimálním kreslením zpracovat signály až ~0,5 V. Výstupní úroveň elektretového mikrofonu se pohybuje v řádu jednotek až desítek milivoltů, což je na takový preamp málo. Nějaké technologicky vyspělejší řešení prampu s vysokým dynamickým rozsahem (aby zpracoval pokud možno stejně dobře jak malé, tak i velké signály) bych u B bandu opravdu nečekal, tato značka je z těch "značkových" opravdu nejhorší, např. snímače Fishman nebo L. R. Baggs, to je úplně jiná kategorie (a z nich bych hodnotil L. R. Baggs jako lepší, než Fishman).
, Dotaz na akustickú odpovědět
avatar
doplnenie. Mám predstavu, že by oba mikrofónky boli napojené na to jednom držiaku. Príde mi to šikovné a zvuk nástroja nebude ovplivnený molitanovou výplňou. Cena za mikrofón DPA 4099 mi príde v tento moment nad rámec.
icon odpověděl(a)
Martin
Mikrofon lze samozřejmě instalovat jako vnější, podobně jako DPA 4099. Problémem je ale směrová charakteristika elektretových mikrofonů, které se u nás vyskytují v prodeji - ta je omni (všesměrová), zatímco vnější mikrofon by potřeboval kardioidickou charakteristiku. Kabel a koncovky mohou být libovolné, určtě bych použil stíněný kabel. Mikrofon bez předzesilovače bude fungovat špatně. Výsledek celého snažení bude asi takový, jako kdybyste z náhlavní sluchátkové soupravy určené pro Skype odmontoval ramínko s mikrofonem a pomocí držáku ho přimontoval ke kytaře. Teoreticky by se dalo dosáhnout použitelného výsledku (např. kdybyste narazil na mikrofon s kardioidickou charakteristikou, což je možné), ale obávám se, že bez zkušeností v elektronice a měřicího vybavení se vám to nepodaří.
, Dotaz na akustickú odpovědět
avatar
Dobrý večer. Som naprostý laik v tejto oblasti. Mám obyč čínsku akustiku. To čo vyššie navrhujete poriešiť v kombinácii tak ako to mámikrofón DPA 4099. Vedel by ste mi prosím poradiť či by sa vyššie uvedený elektrétový mikrofon dal takto užiť? Dal:)) Prosím mohli by ste mi poradiť materiál: aký kabel koncovky atd. ˇA ak by som užil 2 kusy ako ich zapojiť s výstupom na veľký jack. Rád by som to bez predzosilňovača fukol do notebooku. Príde mi to zaujímavé. Mám doma požičaný PG57 napojený naprimo do pC a v Audacity gytaru praktick nepočuť. Zvuk slabý, čistý no slabý:)) Ďakujem Vám za info. Igor Olomouc
icon odpověděl(a)
Martin
Pokud budete kupovat mikrofon jako součástku, bude výsledek pravděpodobně nepoužitelný. U kvalitních a dražších náhlavních souprav se ale mohou vyskytnout velmi kvalitní mikrofony s kardioidickou charakteristikou a mohou být umístěny ve velmi dobře konstruovaném držáku, navíc je tu k dispozici tzv. "vindšuc" (molitanová koule na konci ramínka, chránící mikrofon před "uprskáním") a ramínko bývá tvarovatelné. Pokud bych instaloval mikrofon jako vnější, dal bych přednost tomuto řešení. Počítejte ale s tím, že taková náhlavní souprava může stát tolik, jako levnější kytara a svým počínáním ji de facto znehodnotíte. Použití dvou mikrofonů vně kytary nemá prakticky smysl, pokud byste nepoužil předzesilovače a nefázoval jejich výstupy (tím mj. ovlivníte i směrovou charakteristiku). Prostorového vjemu dosáhnete jen tehdy, pokud budou mikrofony od sebe vzdáleny cca 17 cm (jako vdálenost uší na hlavě) a signály by se opět musely sčítat se správnou fází, aby bylo dosaženo stereo efektu. Tedy opět nic jednoduchého.
icon odpověděl(a)
Martin
K výše uvedenému mohu dodat jen tolik, že jsem prozatím koncepci DIY (udělej si sám) opustil. Ve své Martin D-28 mám namontovaný snímač L. R. Baggs Lyric, který používám při live hraní s kombem AER Alpha. Jsem velice spokojen. Ještě zbývá vyzkoušet Lyric zapojený do nějakého nahrávadla (nabízí se třeba smartphone, ten můj prý umí 24bit/96 kHz) a vyzkoušet nahrávání. Moc si od toho neslibuju, možná kdyby se signál přivedl do vstupu nějaké slušné zvukové karty, bylo by to jinak. Je tu prostor pro experimentován. L. R. Baggs Lyric je vlastně "mikrofonová půlka" ze snímače Anthem stejné firmy. Oba typy však poskytují velmi kvalitní signál. Bohužel, ani Lyric není nic levného, mě vyšel na 200 USD.
, Napájení odpovědět
avatar
Jak realizovat napájení mikrofonů? Lze použít fantom?
odpověděl(a)
avatar
Samozřejmě, fantom z preampu, jako bývá obvyklé u elektretů. Proud tekoucí FETem elektretu je vhodný nastavit něco kolem 1 mA (při napájení 9V baterkou ho napájím přes odpor 10 kohm a pohoda).